Автореферат (Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода), страница 2

При выполнении данной работы использоваласьметодика аналитического расчета ВДПТ с помощью схемы замещения, методыоптимизации: МНП и ГА, МКЭ для моделирования электромагнитного поля ирасчета переходных процессов ВДПТ, методы имитационного моделированияВДПТ в составе СП. Для расчетов и моделирования применялись такиепрограммные продукты как: ANSYS, Solid Edge.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработан способ и подана заявка на изобретение по повышению точностиустановки ПМ на роторе;- разработан способ и получен патент на полезную модель по уменьшениювоздушного зазора ВДПТ;- разработан алгоритм анализа и оптимизации ВДПТ для СП, включающий в себяаналитический расчет ВДПТ с помощью схемы замещения, оптимизационныйрасчет ВДПТ с помощью МНП или ГА, аналитический расчет электромагнитногополя с помощью МКЭ, имитационное моделирование ВДПТ в составе СП, тепловойрасчет ВДПТ в статике, механический расчет;- разработана методика применения МНП и ГА при многокритериальнойоптимизации ВДПТ для СП;- разработана имитационная модель ВДПТ в составе СП;- предложен способ оценки динамических показателей ВДПТ с помощьюимитационной 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 исравнение их с экспериментальными данными реального образца.Достоверность полученных положений, результатов и рекомендацийподтверждается корректным использованием зарекомендовавших себя методов7  анализа и синтеза, а также результатами сравнения расчетных и экспериментальныхданных опытного образца СП, в состав которого входит рассматриваемый ВДПТ.Практическая значимость.1) Основным практическим результатом работы является создание алгоритмаоптимального проектирования ВДПТ для СП, на его базе начато создание методикидля проектирования ВДПТ для СП.

Применение данной методики позволитзначительно повысить точность расчетов и как следствие снизить количествонатурных экспериментов.2) В результате применения алгоритма оптимального проектирования разработаныВДПТ мощностью 10 Вт, 50 Вт, 70 Вт, 200 Вт, 220 Вт, 300 Вт, 380 Вт 4000 Вт дляразличных ЭП;3) В ходе данной научной работы выработаны рекомендации для повышенияэнергетических, массогабаритных и динамических показателей ВДПТ для СП;4) В ходе данной работы выработаны рекомендации для настройки ГА, припроектировании ВДПТ;5) В ходе данной работы выработаны рекомендации к применению ГА и МНП приразличном количестве критериев оптимальности.Внедрение результатов работы.

Разработанные в данной диссертациирекомендации и методы использовались при разработке ВДПТ для ряда НИР и ОКР,проводимых на ОАО «ЛЕПСЕ», в частности с ОКР «Привод-12» Министерствапромышленности и торговли Российской Федерации.Апробация работы. Основные положения работы докладывались наследующих 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 2из списка ВАК.Патенты. По теме диссертации получен один патент на полезную модель иподана заявка на изобретение.Личный вклад автора. Положения и результаты, которые изложены вдиссертации, получены лично автором.При разработке имитационной модели СП автору принадлежит идея еесоздания, а также подготовка и оптимизация динамической модели ВДПТ.Экспериментальные результаты, представленные в Главе 4, получены группойспециалистов ОАО «ЛЕПСЕ», в состав которой входил автор.В печатной работе [3] автору принадлежит идея использования ПО ANSYSдля оптимального проектирования ВДПТ для СП идея имитационногомоделирования ВДПТ в составе СП, алгоритм оптимального проектирования сприменением данного ПО; автором выполнены оптимизационные и полевыерасчеты ВДПТ и подготовлена динамическая модель для имитационногомоделирования.В работе [1] автору принадлежит идея и реализация полезной модели; такжепроведен ряд электромагнитных расчетов, подтверждающих улучшение показателейВДПТ.8  Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, списка использованных источников, включающего 125 наименований и6 приложений. Общий объем диссертации 209 страницы машинописного текста.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении представлен обзор современного состояния проблемы, определенызадачи исследования и методы его проведения, отмечена научная новизна ипрактическая значимость работы.В первой главеРассмотрены требования ТЗ к ВДПТ и СП (Таблица №3), на основе которыхрассчитана необходимая мощность ВДПТ и момент инерции, приложенный к валуВДПТ.Таблица №3Данные ТЗ для разработки СП и ЭДТребования к ЭПМаксимальная частота входного синусоидального сигнала, ГцМаксимальное запаздывание по фазе, не болееМаксимальная амплитуда выходного сигнала, дБВремя перемещения штока при единичном ступенчатом сигнале, мс, не болееСредняя скорость перемещения штока при единичном ступенчатом сигнале, мм/с, не менееМомент инерции нагрузки, кг×м2Характер нагрузкиТребования к ЭДПолезная мощность, Вт, не менееЧастота вращения, об/минМасса ЭД, кг, не болееДиаметр статора, мм, не болееТребования по температуреДиапазон температур окружающей среды, 0С40120°От -10,0 до +0,51201509×10-5Синусоидальный3004000-150000,345-60..+125Разработан алгоритм оптимального проектирования ВДПТ для СП,включающий семь этапов.Напервомэтапепроектированияпроводитьсяпредварительныйэлектромагнитный расчет для получения начальной геометрии ЭМ.

В качествевходных данных для данного этапа используются: номинальное напряжениепитания, падение напряжения на полупроводниковых элементах, полезнаямощность, электромагнитный момент, потребляемый ток, режим работы.Результаты расчета: рабочие характеристики ЭД в установившемся режиме,предварительныемассогабаритныепоказатели,косвенныединамическиепоказатели.Навторомэтапепроизводитсямногокритериальнаяоптимизациярассчитанного ЭД МНП, с использованием ГА. Основная задача данного этапа:получение необходимых и наилучших энергетических, массо-габаритныхпоказателей. В качестве входных данных для данного расчета используетсягеометрическая модель ЭМ полученная на первом этапе. Выходные параметры наданном этапе: оптимизированная модель ЭМ и энергетические, динамические имассогабаритные показатели.На третьем этапе проектирования выполняется полевой расчет ЭМ МКЭ.Целью данного этапа является расчет электромагнитного поля для определениямгновенных значений электромагнитного момента, фазных токов, потерь в меди,магнитных потерь в роторе и в ПМ.

Также расчет электромагнитного полянеобходим для последующего расчета теплового поля, поскольку эти нагрузки9  являются входными параметрами для данного расчета. В качестве входных данныхна данном этапе используется оптимизированная модель ЭМ созданная, на основеданных полученных на втором этапе, в каком-либо пакете, позволяющем выполнятьтвердотельное 3D моделирование.На четвертом этапе проектирования выполняется расчет переходных процессови моделируется работа ЭП с системой управления максимально имитирующейреальную схему управления. Исходными данными для построения имитационноймодели ЭП является динамическая модель ЭМ, параметры механической части иосновные параметры системы управления. В отличие от представления объекта ввиде передаточной функции, в которой изначально закладывается принципупрощения объекта моделирования, в имитационном моделировании максимальносохраняется принцип функционирования объекта.Такой подход к моделированию позволяетотслеживать мгновенные значения токов инапряжений в фазах ЭД без принятиядопущений,такихкакгармоническаялинеаризация напряжения питания, с учётомкоммутационных процессов - выбросов иРис.2.

Диаграмма напряжения фазы провалов, показанных на рис.2, происходящихв трёхфазном силовом инверторе.в модели вентильного двигателяНа пятом этапе выполняется 3D моделирование всего ЭП, производитсяпроработка всей конструкции.На шестом этапе проектирования выполняется тепловой расчет. В качествевходных данных для расчета используется полевая модель ЭМ, а такжеэлектромагнитные нагрузки. Выходными данными на этом этапе будет картинатеплового поля во всем объеме ЭМ, которая позволяет определить температуру иперегрев отдельных частей ЭМ.