Модульная вентильная машина с коммутацией магнитного потока

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.

Рис. 1. Трехмерная конструкция ММКМП с одним электромагнитным модулем

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.

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. [6, 7].

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.

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.

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.

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.

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 Draw→Region. 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 Modeler→Surface→Section, где в появившемся окне выбирают плоскость YZ (рис. 6а).

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 Modeler→Boolean→Separate 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 3D→Excitation→Assign→Current. В окне Current Excitation в графу Value (рис. 7б) вводится значение ампервитков и указывается тип (Stranded).

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 Maxwell3D→Analysis Setup→Apply Mesh Operations. Построение и отображение сетки на модели выполняется в окне Maxwell3D→ Fields→Plot Mesh. Рис. 8а, в иллюстрируют сетку модуля до начала расчета, по мере решения задачи сетка оптимизируется и корректируется, что отображают рис. 8б, г.

Рис. 8. Построение сетки конечных элементов

Этап 7. Проведение расчета

Перед началом расчета устанавливаются параметры анализа задачи в окне Maxwell2D→Analysis Setup→Add Solution Setup. Проверяется правильность созданной модели командой Validation Check… (рис. 9). Расчет модели запускается командой Analize all.

Рис. 9. Окно проверки правильности модели

Этап 8. Визуализация и анализ результатов

После проведения расчета осуществляется просмотр результатов доступных в пунктах меню Maxwell 3D→Fields и Maxwell 3D→Results. 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.

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.

Рис. 11. Электромагнитная сила одного модуля

На рис. 12 показана конструкция макетного варианта 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