Силовая электроника №4'2012

Модульная вентильная машина с коммутацией магнитного потока

Бормотов Артем

Герман-Галкин Сергей


В статье рассматривается методика статического расчета нетрадиционной конструкции модульной электрической машины с коммутацией магнитного потока. Такие машины представляют собой дискретные конструкции, которые совместно с дискретными системами управления позволяют создавать гибкие мехатронные устройства с информационными и энергетическими возможностями, недоступными для традиционных механизмов.

Некоторые тенденции развития современных мехатронных систем с вентильными электрическими машинами

Основным недостатком традиционных конструкций электрических машин является то обстоятельство, что значительная часть электротехнической стали (сердечников) и проводящих материалов (обмоток) не принимает активного участия в процессе электромеханического преобразования энергии, а выполняет пассивную роль ферромагнитного и электрического проводника для замыкания магнитных потоков и электрических токов.

Начиная с 60-х гг. прошлого века для устранения отмеченных недостатков осуществляется переход на новые конструкции, получившие название вентильно-индукторных электрических машин (ВИЭМ).

Такие механизмы позволяют выполнить статорные обмотки сосредоточенными и значительно сократить пути замыкания магнитного потока. Как показывают исследования последних лет, данные конструкции позволяют существенно улучшить энергетические характеристики, уменьшить массо-габаритные показатели электрических машин. Применение такого подхода подразумевает отказ от традиционных инженерных путей и связано с реформированием устоявшихся взглядов относительно проектирования машины.

Для управления ВИЭМ требуется строить специальную мехатронную систему с силовым полупроводниковым преобразователем, датчиком положения ротора и микропроцессорной системой управления.

Конструкция модульной вентильной машины с коммутацией магнитного потока

В модульной вентильной машине с коммутацией магнитного потока (ММКМП), составляющей предмет настоящей статьи, интегрально сочетаются современные технологии в проектировании ВИЭМ.

Модульная вентильная электрическая машина состоит из отдельных электромагнитных модулей, размещенных во всем ее объеме в радиальном и аксиальном (осевом) направлениях. Каждый электромагнитный модуль содержит сердечник трансформаторного или дроссельного типа с обмотками. Электромагнитные модули размещены на неподвижных частях, выполненных из немагнитного материала.

Такая конструкция позволяет:

  • максимально сократить длину магнитной линии и, соответственно, падение магнитного потенциала на пути замыкания магнитного потока;
  • исключить лобовые части обмоток в машине;
  • соответствующей группировкой обмоток реализовать в одной конструкции различные машины на ряд напряжений и токов;
  • реализовать в одной конструкции двух-, трех- и m-фазную обмотки;
  • наращивать габаритную мощность машины в радиальном и осевом направлениях без изменения конструкции электромагнитного модуля.

В зависимости от конструкции подвижных и неподвижных частей и способа соединения обмоток электромагнитных модулей можно сконструировать линейную или вращающуюся электрическую машину.

Количество фаз в машине определяется числом электромагнитных модулей, размещенных на расстоянии (длине) одного полюсного деления. Фазная обмотка может состоять из нескольких групп обмоток.

Идея создания ММКМП запатентована в [1] и подробно описана в [2]. Одна из возможных конструкций такой машины запатентована как полезная модель в [4].

На рис. 1 представлена трехмерная конструкция ротора машины с одним электромагнитным модулем. В данной конструкции ММКМП на статоре располагаются 18 электромагнитных модулей.

 Трехмерная конструкция ММКМП с одним электромагнитным модулем

Рис. 1. Трехмерная конструкция ММКМП с одним электромагнитным модулем

Обмотки якоря в электромагнитном модуле намотаны на П-образном сердечнике; каждый электромагнитный модуль содержит два П-образных сердечника, расположенных торцами друг к другу так, что ферромагнитные вставки на роторе, установленном между сердечниками, совпадают в проекции с торцами каждой пары двух П-образных сердечников. Электромагнитные модули в машине закреплены по окружности.

Поскольку электромагнитные и электромеханические процессы в отдельном модуле протекают независимо от других, то расчет электромеханического преобразователя энергии в данном случае можно вести по одному модулю, с последующим обобщением результата на все их количество.

Расчет модульной вентильной машины с коммутацией магнитного потока

В данной статье показаны основные этапы и результаты расчета стационарного магнитного поля и электромагнитной силы одного электромагнитного модуля вентильной дисковой машины модульной конструкции, разработанной и изготавливаемой на кафедре мехатроники и робототехники БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова [4]. Основная сложность состоит в том, что расчет поля в электромагнитном модуле (рис. 1) не удается свести к двумерной задаче. Для расчета магнитного поля в трехмерной постановке необходимо использовать современные компьютерные технологии.

Для решения трехмерных полевых задач в электромеханических устройствах используется метод конечных элементов (МКЭ), применение которого позволяет с высокой точностью аппроксимировать любую геометрию модулей электрической машины и учесть нелинейные свойства ферромагнитных материалов при ограниченном числе расчетных узлов [5].

Этот метод положен в основу расчета электромагнитного поля рассматриваемой модульной машины в пакете Maxwell 14, разработчиком которого является компания Ansoft Corporation, входящая в состав компании Ansys Inc. [67].

Основными этапами расчета электромагнитного поля, сил и момента в электромагнитном модуле машины являются:

  • выбор типа решаемой задачи;
  • построение геометрии магнитопровода (подвижных, неподвижных частей) и катушек;
  • назначение свойств материалов модели;
  • формирование граничных условий;
  • формирование обмоток, задание величины тока в обмотках;
  • формирование и генерация сетки конечных элементов;
  • проведение расчета;
  • визуализация и анализ результатов.

Этап 1

Подготовкой к основным этапам расчета (2–8) является выбор типа решаемой задачи. Назначить «решатель» программе и, тем самым, определить область его задач можно командой Maxwell 3D  Solution Type (рис. 2). Для расчета статических магнитных полей в электромагнитном модуле выбирается параметр Magnetostatic.

 Окно выбора параметров модуля

Рис. 2. Окно выбора параметров модуля

Этап 2

Формирование электромагнитного модуля ММКМП осуществлялось импортом готовой геометрии, созданной в пакете Solid Works 2010 (рис. 3). В списке, который появится после перехода по пунктам меню Modeler Import, рекомендуется оставить флаговую кнопку Heal Imported Objects выделенной и в режиме Auto, это поможет исправить мелкие ошибки, возникающие во время импорта геометрии.

 Конструкция электромагнитного модуля

Рис. 3. Конструкция электромагнитного модуля

Этап 3

Назначение материала элементам геометрии модуля осуществляется выделением соответствующего элемента в рабочем пространстве графического окна программы с последующим нажатием кнопки Assign material на панели инструментов (рис. 4). Открывшееся окно содержит базу данных свойств различных материалов, в том числе кривые намагничивания электротехнических сталей.

 Назначение материала элементам геометрии модуля

Рис. 4. Назначение материала элементам геометрии модуля

Для изготовления модуля была выбрана электротехническая холоднокатаная сталь 3406, свойства которой отсутствуют в исходной базе программного пакета (рис. 5а). База может дополняться пользователем командой Add material.

 Задание параметров материала элементам геометрии модуля

Рис. 5. Задание параметров материала элементам геометрии модуля

В открывшемся окне (рис. 5б) назначают свойства материалу. В графе Relative Permeability в столбце Type устанавливают значение Nonlinear, формируя тем самым кривую намагничивания стали BH Curve (рис. 5б). В графе Bulk Conductivity в столбце Type устанавливают значение Simple, в столбце Value задают удельную проводимость электротехнической стали.

В графе Composition (столбец Value) выставляют значение Lamination, для Stacking Factor указывают значение 0,96 (в соответствии с ГОСТ 21427.1-83), для Stacking Direction — V(1), то есть задают шихтованную структуру сердечников с коэффициентом заполнения для стали 0,96 и направлением набора пластин вдоль оси Х системы координат сердечника.

Этап 4

По умолчанию граничные условия определяют поведение магнитного поля на границах пространства решения. Границы должны быть отнесены на некоторое расстояние от источников, чтобы избежать сверхограниченности области при размещении границы близко к объектам модели. Эмпирическое правило утверждает, что если модель можно вписать в сферу с радиусом R, то границы следует разместить на расстоянии (4–5) R от воображаемого центра сферы [10].

Граничные условия расчетной области устанавливаются в окне DrawRegion. При этом для задачи магнитостатики будут определены естественные граничные условия, т. е. помимо главных условий добавляется производная решения по нормали к границе (условия Неймана — граничные условия второго рода).

Этап 5

Задание величины тока возбуждения в трехмерной геометрии обмотки возбуждения возможно только на сечении катушки. Выделяются обе катушки (Coil_N, Coil_V) в рабочем пространстве графического окна программы и выполняется переход по пунктам меню ModelerSurfaceSection, где в появившемся окне выбирают плоскость YZ (рис. 6а).

 а) Выбор плоскости; б) задание величины тока возбуждения

Рис. 6. а) Выбор плоскости; б) задание величины тока возбуждения на левом сечении катушки

Для разделения катушки по ранее созданному сечению (Coil_N_Section1, Coil_V_Section1) выполняется ModelerBooleanSeparate Body. Здесь удаляют избыточную геометрию Coil_N_Section1_Separate1, Coil_V_Section1_Separate1 (рис. 6б, 7а).

Способ питания обмоток определяется как токовый. На сечениях катушек (Coil_N_Section1, Coil_V_Section1) ток возбуждения задается в окне, открывшемся после перехода по пунктам меню Maxwell 3DExcitationAssignCurrent. В окне Current Excitation в графу Value (рис. 7б) вводится значение ампервитков и указывается тип (Stranded).

 а) Задание величины тока возбуждения на правом сечении катушки;

Рис. 7. а) Задание величины тока возбуждения на правом сечении катушки; б) вид окна Current Exciashion

Этап 6

Формирование сетки конечных элементов определяет размерность, скорость и точность решения задачи. Возможности пакета Maxwell позволяют формировать сетку автоматически «решателем» в процессе расчета или автором модели самостоятельно, при этом «решатель» также будет принимать участие в ее уточнении во время расчета [7]. Сетка формируется во всем объеме расчетной области, ограниченной Region, и по всей поверхности исследуемых элементов задачи. В местах детального исследования задачи (с высоким градиентом поля) вводятся локальные уточнения сетки.

Важно отметить, что чем больше число элементов и меньше элементы сетки, тем точнее решение задачи, но тем выше размерность решаемой системы уравнений по МКЭ, а значит, требуется большее время расчета. Ряд критериев [7] характеризуют данную задачу как элементарную, поэтому формирование сетки здесь предоставлено «решателю». Оценить сетку, созданную «решателем», можно до начала процесса решения задачи, перейдя по пунктам меню Maxwell3DAnalysis SetupApply Mesh Operations. Построение и отображение сетки на модели выполняется в окне Maxwell3D FieldsPlot Mesh. Рис. 8а, в иллюстрируют сетку модуля до начала расчета, по мере решения задачи сетка оптимизируется и корректируется, что отображают рис. 8б, г.

 Построение сетки конечных элементов

Рис. 8. Построение сетки конечных элементов

Этап 7. Проведение расчета

Перед началом расчета устанавливаются параметры анализа задачи в окне Maxwell2DAnalysis SetupAdd Solution Setup. Проверяется правильность созданной модели командой Validation Check… (рис. 9). Расчет модели запускается командой Analize all.

 Окно проверки правильности модели

Рис. 9. Окно проверки правильности модели

Этап 8. Визуализация и анализ результатов

После проведения расчета осуществляется просмотр результатов доступных в пунктах меню Maxwell 3DFields и Maxwell 3DResults. На рис. 10 представлены результаты анализа индукции магнитного поля электромагнитного модуля в рассогласованном (рис. 10а) и согласованном (рис. 10б) положении. Численная информация о величине индукции магнитного поля отражена в окне проекта.

 Индукция в электромагнитном модуле

Рис. 10. Индукция в электромагнитном модуле: а) рассогласованное положение; б) согласованное положение

На рис. 11 представлены результаты расчета электромагнитной силы одного модуля в функции перемещения подвижной ферромагнитной вставки ротора для модульной машины с коммутацией магнитного потока со следующими данными: внешний диаметр статора — 300 мм, длина машины — 130 мм, длина оси — 290 мм, суммарный воздушный зазор — 4,0 мм, число витков одного модуля — 220, ток обмотки — 10 А, число модулей — 18. Общий расчетный момент машины — 50 Нм.

 Электромагнитная сила одного модуля

Рис. 11. Электромагнитная сила одного модуля

На рис. 12 показана конструкция макетного варианта модульной машины с коммутацией магнитного потока.

 Конструкция модульной машины с коммутацией магнитного потока

Рис. 12. Конструкция модульной машины с коммутацией магнитного потока: 1 — П-образный сердечник; 2 — обмотка якоря; 3 — ротор с ферромагнитными вставками; 4 — вал; 5 — подшипник вала

Литература

  1. Afonin A., German-Galkin S., Cierzniecki P., Hrynkiewicz J., Kramarz W., Szymczak P. Modular reluctance machine. PCTInt. Public Nomber WOo1/03270.Al. IntPublic. Date 11 January 2001. Priority data 22 May 1999.
  2. Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P. Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacja elektroniczna. Szczecin Wydawnictwo Politechniki Szczecinskiej. 2000.
  3. Герман-Галкин С. Анализ и синтез мехатронной системы с магнитокоммутационной машиной в пакетах MATLAB+Simulink // Силовая электроника. 2008. № 1.
  4. Пат. на полезную модель № 105540 (РФ) Модульная электрическая машина / С. Г. Герман-Галкин, Ю. В. Загашвили, В. В. Верюжский // Заявка № 2010113746. Приоритет полезной модели 31.03.2010. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.06.2011.
  5. Рымша В. В., Радимов И. Н., Баранцев М. В. Технология расчета трехмерного стационарного магнитного поля в вентильно-реактивных электродвигателях на платформе Ansys Workbench // Електротехніка і електромеханіка. 2006. № 6.
  6. Радимов И. Н., Рымша В. В. Сопоставительный анализ вентильных двигателей для электропривода мотор-колес легких транспортных средств // Електромашинобуд. та електрообладн. 2005. Вип. 64.
  7. Getting Started with Maxwell: A 2D Magnetostatic Solenoid Problem, Ansys, Inc., Inventory: 002880 Getting Started with Maxwell: Designing a Rotational Actuator, Ansys, Inc., Inventory: 002889 Аnsoft Maxwell 3D v.11 User’s guide. Ansoft Corp. Rev.2.0. 28 July 2006.
  8. http://ansoft-maxwell.narod.ru/maxwell.html
  9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Ansoft
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_04_46.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Огромный ассортимент http://mix-auto.com.ua/ аксессуаров для авто.