Магнитоэлектрический двигатель-генератор автономного мобильного объекта




Page 1


background image







Page 2


background image

118

ОБОРУДОВАНИЕ

Магнитоэлектрический 
двигатель-генератор автономного 
мобильного объекта

УДК 621.313:621.318.2

Зубков

 

Ю

.

В

.,

д.т.н., доцент, профессор кафедры 

электромеханики и автомобильного 

электрооборудования ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Макаричев

 

Ю

.

А

.,

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой 

электромеханики и автомобильного 

электрооборудования ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Верещагин

 

В

.

Е

.,

старший преподаватель кафедры 

электромеханики и автомобильного 

электрооборудования ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Владимиров

 

Д

.

А

.,

магистрант кафедры электромеханики 

и автомобильного электрооборудования 

ФГБОУ ВПО «СамГТУ»

Ключевые

 

слова

:

постоянные магниты, индуктор, синхронные 

машины, SPM, IPM, двигатель-генератор, 

автономные энергетические объекты

Одним

 

из

 

направлений

 

совершенствования

 

энергетических

 

электроустановок

 

автоном

ных

 

объектов

 

является

 

совмещение

 

функций

 

стартерных

 (

двигательных

и

 

генератор

ных

 

режимов

 

работы

 

в

 

одной

 

электрической

 

машине

При

 

этом

 

экономятся

 

расходы

 

на

 

активные

 

и

 

конструктивные

 

материалы

 

совмещенного

 

электромеханического

 

преоб

разователя

 

и

 

силового

 

полупроводникового

 

электрооборудования

Значительное

 

сокра

щение

 

массогабаритных

 

показателей

 — 

весьма

 

актуальный

 

результат

 

для

 

большинства

 

автономных

 

объектов

 (

электромобилей

специальных

 

транспортных

 

средств

систем

 

электрозапуска

 

и

 

генерирования

 

наземных

 

газотурбинных

 

двигателей

). 

Использова

ние

 

постоянных

 

магнитов

 

с

 

высокой

 

удельной

 

энергией

 

для

 

индуктирования

 

основного

 

магнитного

 

потока

 

в

 

таких

 

машинах

 

делает

 

это

 

направление

 

еще

 

более

 

перспективным

Однако

 

ограниченные

 

возможности

 

регулирования

 

потока

 

постоянных

 

магнитов

 

ставят

 

перед

 

исследователями

 

ряд

 

существенных

 

проблем

связанных

 

с

 

особенностями

 

работы

 

электрической

 

машины

 

в

 

двигательном

 

и

 

генераторном

 

режимах

Требования

 

по

 

номи

нальному

 

напряжению

частоте

 

вращения

моменту

 

для

 

двигателя

 

и

 

генератора

 

могут

 

различаться

 

в

 

несколько

 

раз

В

 

предлагаемой

 

статье

 

рассмотрены

 

некоторые

 

аспекты

 

обеспечения

 

таких

 

противоречивых

 

требований

 

в

 

магнитоэлектрическом

 

двигатель

гене

раторе

 

с

 

различными

 

типами

 

конструкции

 

ротора

 

и

 

схемами

 

обмоток

 

статора

Результа

ты

 

численного

 

моделирования

 

электромагнитных

 

процессов

 

дают

 

возможность

 

сделать

 

обоснованный

 

выбор

 

типа

 

индуктора

 

и

 

схемы

 

обмотки

ВВЕДЕНИЕ

Электрические  машины  с  возбуждением  от  постоянных  маг-

нитов (ПМ) благодаря высоким значениям удельного момента 

и  энергоэффективности  находят  все  большее  распростране-

ние  в  качестве  тяговых  двигателей  и  генераторов  в  электро-

мобилях,  гибридных  и  специальных  транспортных  средствах 

(ТС), беспилотных летательных аппаратах, дронах и т.д. [1, 2]. 

Раздельное исполнение двигателя и генератора ведет к росту 

расхода активных материалов и массы силового электрообо-

рудования на подвижном объекте. Поэтому в последнее время 

большое внимание уделяется разработке электромеханических 

преобразователей (ЭМП), выполняющих функции и двигателя, 

и  генератора  в  зависимости  от  режима  работы  мобильного 

объекта [3]. Отсутствие возможности регулирования магнитно-

го потока в зазоре таких машин является серьезной проблемой. 

Данное обстоятельство ведет к ограничению диапазона частот 

вращения при постоянной мощности на валу в двигательном 

режиме работы и трудностям стабилизации выходного напря-

жения в генераторном. 

Одним из способов ослабления магнитного потока при регу-

лировании частоты вращения может служить воздействие поля 

реакции якоря на основное магнитное поле [4]. Данный способ 

регулирования  полезного  потока  имеет,  как  правило,  ограни-

чения  по  току  силового  полупроводникового  преобразователя 

и риска необратимого размагничивания магнитов за счет боль-

шой величины МДС реакции якоря по продольной оси [5]. Для 

электрических двигателей с магнитоэлектрическим возбуждени-

ем характерен конфликт: низкая скорость, высокий момент — 

высокая скорость, большая мощность. Поэтому велика необхо-

димость управления МДС и потоком в зазоре по продольной оси 







Page 3


background image

119

в соответствии с конкретными требованиями регули-

ровочной  характеристики  [6].  Не  следует  забывать, 

что с ростом тока якоря увеличиваются и электриче-

ские потери, что негативно отражается на энергоэф-

фективности ЭМП в двигательном режиме работы. 

Изменение потока в воздушном зазоре может быть 

достигнуто применением импульса тока для перемаг-

ничивания  или  размагничивания  постоянных  магни-

тов  с  малой  коэрцитивной  силой.  Как  следствие,  их 

состояние намагниченности может быть «запомнено» 

с помощью импульса тока определенного уровня. По-

добный токовый контроль позволяет уменьшить элек-

трические потери в обмотке до минимума [7]. 

В  последние  годы  предпринят  ряд  попыток  реа-

лизации принципа регулирования частоты вращения 

на основе конструктивных изменений ротора и ста-

тора [8, 16–18]. В [8] предложена конструкция индук-

тора, в которой радиально намагниченные неодимо-

вые  ПМ  выполняют  роль  постоянно  действующего 

источника  МДС,  а  тангенциально  намагниченные 

ПМ альнико служат регулятором потока. Гибридные 

ПМ используются в конструкции тягового двигателя 

Toyota Prius 2010, где высококоэрцитивные неодимо-

вые и низкокоэрцитивные ПМ образуют разноимен-

нополюсную структуру [9]. Это позволяет эффектив-

но  противодействовать  реакции  якоря  и  увеличить 

электромагнитный момент за счет подмагничивания 

низкокоэрцитивных ПМ неодимовыми. В [10] предло-

жен  способ  ослабления  магнитного  потока  посред-

ством осевого смещения ротора относительно стато-

ра без воздействия на вектор тока якоря. 

Рассмотренные  варианты  улучшения  механи-

ческой  характеристики  двигателей  с  магнитоэлек-

трическим  возбуждением  требуют  усложнения  кон-

струкции индуктора, применения последовательных 

и параллельных методов создания магнитного потока 

с использованием различных материалов ПМ. Кроме 

этого, применение неодимовых ПМ в высокоисполь-

зуемых  машинах  не  всегда  возможно  по  темпера-

турным ограничениям. Поэтому актуальным являет-

ся изучение и сравнение характеристик ЭМП с ПМ 

с  традиционной  конструкцией  индукторов 

и  использованием  самарий-кобальтовых 

ПМ,  допускающих  длительную  эксплуата-

цию при температурах до 250–300°С. 

Регулирование 

частоты 

вращения 

в  двигательном  режиме  работы  и  согла-

сование  величины  магнитного  потока  при 

переходе  из  двигательного  в  генераторный  режим 

можно  реализовать  в  таких  машинах  посредством 

изменения числа параллельных ветвей обмотки или 

переключением схемы соединения фаз со «звезды» 

на «треугольник» [11]. Далее рассматриваются вари-

анты  исполнения  индуктора  двигатель-генератора 

с  поверхностным  (surface  permanent  magnet,  SPM) 

и  инкорпорированным  (interior  permanent  magnet, 

IPM) расположением ПМ (рисунок 1) и различными 

способами соединения параллельных ветвей и фаз 

обмотки  статора.  Последовательное  соединение 

ветвей  обмотки  используется  на  низкой  скорости 

двигателя для повышения максимального крутящего 

момента  и  форсированного  ускорения  автономного 

ТС.  На  средних  и  высоких  оборотах  ветви  обмотки 

переключаются на параллельную работу, что увели-

чивает максимальную выходную мощность и энерго-

эффективность машины. Подобного эффекта можно 

достичь  при  последовательном  соединении  ветвей 

обмотки статора переключением схемы соединения 

фаз со «звезды» при низких частотах вращения, на 

«треугольник» при высоких скоростях и/или перехо-

де в режим генератора.

ТЕХНИЧЕСКИЕ

 

ПАРАМЕТРЫ

ДВИГАТЕЛЬ

ГЕНЕРАТОРА

В качестве объекта исследования был выбран двига-

тель-генератор (ДГ) для автономного ТС специально-

го назначения с повышенными требованиями к энер-

говооруженности  бортовой  сети.  Для  сопоставления 

параметров и характеристик SPM и IPM конструкций 

ЭМП были рассчитаны оба варианта, определены ос-

новные размеры их активной зоны. Для статора вы-

брана  распределенная  обмотка,  что  обусловило  по-

лучить близкую к синусоидальной кривую напряжения 

в генераторном режиме и повысить энергоэффектив-

ность машины за счет сокращения добавочных потерь 

от высших гармонических [12]. В таблице 1 приведены 

основные технические параметры ДГ с ПМ, а на ри-

сунках 1 и 2 показаны поперечные сечения активной 

зоны IPM и SPM двигатель-генераторов и кривые раз-

Табл. 1. Технические параметры вариантов ДГ

Параметр

Единица

изме-

рения

Величина

IPM

SPM

Номинальная мощность 

в двигательном режиме

кВт

100

Номинальное фазное 

напряжение

В

157

Частота вращения

об/мин

3750

Число полюсов

6

Число фаз

3

Внутренний диаметр 

статора

м

0,135

Воздушный зазор

мм

1,5

3,0

Материал ПМ

NdFeB N33SH SmCo КС25ДЦ

Объем ПМ

м

3

6,61 · 10

-4

5,66 · 10

-4

Активная длина

м

0,303

0,282

Рис

. 1. 

Поперечное

 

сечение

 

ДГ

 

с

 IPM 

и

 SPM 

исполнением

 

индуктора

: 1 — 

магнитопровод

 

статора

; 2 — 

постоянные

 

магниты

;

3 — 

сердечник

 

ротора

; 4 — 

обмотка

 

статора

4

1

1

IPM

2

3

2
3

SPM

 3 (66) 2021







Page 4


background image

120

магничивания  материалов  ПМ,  используемых  в  ука-

занных ДГ для разных температур. 

Влияние температуры на неодимовые ПМ прояв-

ляется в большей степени, нежели на SmCo. При уве-

личении температуры ПМ с 20 до 140°С коэрцитивная 

сила SmCo ПМ падает только на 2,6%, а остаточная 

индукция — на 5,8%, что указывает на стабильность 

энергетических характеристик этих магнитов в диа-

пазоне  рабочих  температур  двигатель-генератора, 

определяемом  классом  изоляции  B.  Выбор  SmCo 

ПМ для варианта с поверхностным расположением 

магнитов обусловлен более интенсивным тепловым 

влиянием  со  стороны  джоулевых  потерь  в  якорной 

обмотке на ПМ и, как следствие, более высокой ра-

бочей температурой магнитов.

ДВИГАТЕЛЬНЫЙ

 

РЕЖИМ

 

РАБОТЫ

С  целью  согласования  величины  ЭДС  в  двига-

тельном  и  генератор-

ном  режимах  работы, 

обмотка  статора  вы-

полнена  с  переклю-

чаемым  числом  па-

раллельных  ветвей,

что  позволило  при 

низких  значениях  на-

пряжения  и  частоты 

вращения  в  двига-

тельном режиме обес-

печить  высокий  вра-

щающий  момент  за 

счет  удвоения  (утро-

ения)  суммарного  се-

чения  проводников 

якорной обмотки. Для 

расширения  диапазо-

на частоты вращения, 

при котором сохраня-

ется  нормально  на-

сыщенное  состояние 

магнитной  системы 

ДГ,  возможно  также 

переключение  схемы 

обмотки  статора  со  «звезды»  на  «треугольник». 

Варианты соединения катушечных групп и фаз об-

мотки статора показаны на рисунке 3.

Параметры  рабочего  режима  исследуемого  ДГ 

при различных способах выполнения статорной об-

мотки приведены в таблице 2.

В  двигательном  режиме  на  стадии  разгона  ТС 

важно  обеспечить  максимальный  момент  при  низ-

кой частоте вращения. Для этого будет оптимальной 

схема обмотки «звезда» с последовательным соеди-

нением  катушечных  групп 

a

  =  1,  показанная  на  ри-

сунке 4. 

АНАЛИЗ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

 

ПРОЦЕССОВ

С  целью  определения  синхронных  индуктивных 

сопротивлений по продольной и поперечной осям 

было  осуществлено  решение  магнитостатической 

задачи  для  IPM  и  SPM  вариантов  исполнения  ДГ 

[15]. Найденные относительные значения индуктив-

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис

. 2. 

Кривые

 

размагничивания

 

редкоземельных

 

ПМ

800

400

0

1000

140°С

N33SH

KC25ДЦ

100°С

20°С

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

600

200

H

c

, кА/м

B

r

, Тл

Рис

. 3. 

Варианты

 

соединения

 

параллельных

 

ветвей

и

 

фаз

 

обмотки

 

статора

 

U

a

a

a

a

a

a

b

b

b

b

½

b

a

 

=

 

1

a

 

=

 

2

a

 

=

 

3

½

b

½

b

½

b

c

c

c

c

c

c

V

W

W

W

W

W

W

V

V

V

V

V

U

U

U

U

U

Табл. 2. Параметры рабочего режима

Способ соединения

Y

a

 = 1

Y

a

 = 2

Y

a

 = 3

a

 = 1

a

 = 2

a

 = 3

Напряжение 

U

, В

220

220

220

380

380

380

Ток 

I

, А

50

100

150

28,9

57,7

86,6

Частота вращения 

n

, об/мин

3750

7500

11 250

3750

7500

11 250

Число последовательных 

витков в фазе

24

12

8

24

12

8

Частота напряжения 

f

, Гц

187,5

375

562,5

187,5

375

562,5

Рис

. 4. 

Соединение

 

катушечных

 

групп

 

в

 

фазе

 

обмотки

 

статора

 

в

 

двигательном

 

режиме

a

 

=

 

1

U

1

U

2







Page 5


background image

121

ных  параметров  составили:  для  SPM  — 

x

*

= 0,325, 

x

*

q

 = 0,318; для IPM — 

x

*

d

 = 0,775, 

x

*

q

 = 0,852. Как можно заметить, IPM маши-

ны обладает более низким сопротивлени-

ем по продольной оси, что делает более 

эффективным воздействие поля реакции 

якоря  на  состояние  магнитной  системы 

и, как следствие, облегчает возможность 

регулирования магнитного потока по про-

дольной оси. Однако данное положитель-

ное  качество  не  означает  неоспоримого 

преимущества IP конструкции перед кон-

струкцией SP. Для выявления достоинств 

и  недостатков  данных  конструктивных 

исполнений  индукторов  ДГ  было  пред-

принято моделирование установившихся 

и  динамических  процессов  двигатель-

ного  режима  в  программном  комплексе

Ansys.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

 

СТАЦИОНАРНОГО

 

ДВИГАТЕЛЬНОГО

 

РЕЖИМА

Анализ  главных  характеристик  машины 

производился в RMxpert по известным раз-

мерам индуктора и зубцовой зоны статора. 

Базой  расчета  в  RMxpert  служат  традици-

онные  аналитические  зависимости.  Ос-

новные параметры синхронного двигателя 

в двух конструктивных исполнениях сведе-

ны в таблице 3.

На рисунках 5–7 представлены угловые 

характеристики  двигателя,  полученные 

в результате моделирования в RMxpert.

Из  рисунка  5  видно,  что  для  конструкции  SPM 

угол  нагрузки  в  номинальном  режиме  составляет

SPM_ном

 = 51 эл.град., максимальная мощность раз-

вивается  при  угле  нагрузки 

SPM_max

  =  90  эл.град. 

и составляет 

P

SPM_max

 = 130 кВт. В конструкции IPM 

максимальная мощность достигается при большем 

значении угла нагрузки 

IPM_max

 = 105 эл.град. и со-

ставляет 

P

IPM_max

  =  72,2  кВт.  Полученные  параме-

тры свидетельствуют, во-первых, о невозможности 

обеспече ния  режима  заданной  механической  на-

грузки на валу в 100 кВт в IPM конструкции индукто-

Табл. 3. Основные параметры синхронного двигателя

Параметр

Ед.-изм. SPM

IPM

Холостой ход

Индукция в воздушном зазоре

Тл

0,671

0,67

Магнитное напряжение воздушного 

зазора

A

1704,8

856

Ток холостого хода

A

108,3

46,5

Потребляемая мощность 

Вт

1806

737

Индуктивное сопротивление рассеяния 

обмотки

Ом

0,145

0,166

Активное сопротивление обмотки 

статора при 180°С 

Ом

0,0421 0,0446

Номинальная нагрузка

Ток фазы

A

293,6

237,7

Линейная нагрузка 

А/м

99 683 80 718

Плотность тока в обмотке статора

А/мм

2

23,9

19,37

Потери в стали

Вт

427

448

Потери в обмотке

Вт

10893

7559

Полезная мощность на валу

кВт

100

71,8

Потребляемая электрическая мощность

кВт

111,23

79,8

КПД без учета механических потерь

0,898

0,899

Момент на валу

Н·м

254,7

182,8

Угол нагрузки

град

51

105,9

Максимальная мощность на валу

кВт

130

71,8

Рис

. 5. 

Зависимость

 

электромагнитной

 

мощности

 

от

 

угла

 

нагрузки

 3 (66) 2021







Page 6


background image

122

ра без увеличения объема ПМ или применения ма-

териала с более высокими значениями магнитной 

энергии, во-вторых, о смещении в таком двигателе 

режима  максимальной  мощности  в  область  боль-

ших  значений  угла  нагрузки,  что  объясняется  на-

личием  перекрестной  связи  магнитного  потока  по 

продольной  и  поперечной  осям.  Кратность  макси-

мального момента для конструкции SPM синхрон-

ной машины составила 

k

M

 = 1,3.

КПД  для  сравниваемых  конструкций  примерно 

одинаков, однако для IPM зависимость имеет более 

пологий вид, что может быть объяснено тем, что IPM 

машина имеет меньшие электрические потери и не 

развивает  требуемой  мощности.  Максимум  энерго-

эффективности наблюдается для SPM машины при 

нагрузке, равной 40% от номи нальной.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

 

ПЕРЕХОДНОГО

 

ПРОЦЕССА

Анализ переходных процессов в Ansys Maxwell 2D 

осуществлялся посредством импорта геометриче-

ских моделей и параметров из RMxpert, необходи-

мых для моделирования переходного процесса на 

валу двигателя: момента инерции ротора, момен-

та нагрузки, частоты вращения и т.д. Переходный 

процесс по внешнему воздействию в разомкнутой 

системе  управления  заключался  в  том,  что  в  на-

чальный  момент  времени  при  номинальной  час-

тоте  вращения  на  вал  двигателя  подключалась 

нагрузка  (для  машины  SPM  —  номинальный  мо-

мент, для IPM — максимальный). Результаты мо-

делирования переходного процесса в виде кривых 

электромагнитного  момента  и  частоты  вращения 

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис

. 6. 

Зависимость

 

тока

 

якоря

 

от

 

угла

 

нагрузки

Рис

. 7. 

Зависимость

 

КПД

 (

без

 

учета

 

механических

 

потерь

от

 

угла

 

нагрузки







Page 7


background image

123

в Ansys Maxwell Transient представлены на рисун-

ках 8 и 9. 

Из полученных зависимостей могут быть найдены 

величина  перерегулирования  и  время  переходного 

процесса,  знание  которых  необходимо  для  синтеза 

системы управления. Переходные процессы в SPM 

машине  более  стабильны:  меньше  перерегулиро-

вание и время переходного процесса. Кроме этого, 

зубцовые пульсации момента в установившемся ре-

жиме в машине SPM ниже, чем в IPM.

ГЕНЕРАТОРНЫЙ

 

РЕЖИМ

В генераторном режиме от электромеханического 

преобразователя требуется максимум электриче-

ской мощности для питания бортовых потребите-

лей и заряда аккумуляторной батареи или емкост-

Рис

. 8. 

Переходный

 

процесс

 

по

 

моменту

Рис

. 9. 

Переходный

 

процесс

 

по

 

скорости

ного  накопителя  энергии  —  суперконденсатора. 

В  этом  режиме  частота  вращения  существенно 

выше,  чем  в  двигательном:  номинальная  часто-

та — 7350 об/мин, максимальная — 11000 об/мин. 

Для  обеспечения  нормального  насыщения  маг-

нитной  системы  машины,  ограничения  величины 

фазного  тока  и  электрических  потерь  в  обмотке 

статора  в  продолжительном  режиме  работы  сле-

дует  переключить  обмотку  на  соединение  в  две 

параллельные ветви, как показано на рисунке 10. 

Принцип  коммутации  аналогичен  переключению 

обмотки на другое число полюсов в полюснопере-

ключаемых асинхронных двигателях [13].

С  целью  сравнения  характера  и  длительности 

протекания  переходных  процессов  в  генераторном 

режиме вариантов исследуемого ЭМП осуществлено 

 3 (66) 2021







Page 8


background image

124

моделирование  электро-

магнитных процессов при 

ступенчатых набросах на-

грузки  посредством  под-

ключения  к  выводам  ста-

торной обмотки активного 

сопротивления.  Электри-

ческая  схема  модели  по-

казана на рисунке 11.

На  рисунках  12  и  13 

показаны  временные  за-

висимости  фазных  тока 

и  напряжения  в  процес-

се  подключения  к  выхо-

ду генератора активной нагрузки, близкой 

к  номинальной  (2,5  Ом)  для  SPM  и  IPM 

машин  соответственно  при  номинальной 

частоте  вращения  7350  об/мин.  В  табли-

це  4  приведены  параметры  переходного 

процесса  при  номинальной  и  максималь-

ной частотах вращения. Здесь 

U

m

0

U

10

U

m

U

1

  —  амплитудное  и  действующее  значе-

ния  фазного  напряжения  при  холостом 

ходе и нагрузке соответственно; 

I

1

 — дей-

ствующее  значение  фазного  тока.  Время 

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис

. 10. 

Соединение

 

катушечных

 

групп

 

в

 

фазе

 

обмотки

 

статора

 

в

 

генераторном

 

режиме

a

 

=

 

2

U

1

U

2

Рис

. 11. 

Электриче

ская

 

схема

 

модели

 

ге

нераторно

го

 

режима

Рис

. 12. 

Изменение

 

тока

 (

а

и

 

напряжения

 (

б

в

 

фазе

 SPM 

генератора

б)

а)







Page 9


background image

125

переходного процесса во всех случаях не превы-

шает 1 мс.

Анализ  полученных  результатов  моделирования 

показывает следующее:

 

– амплитуды  напряжения  SPM  и  IPM  машин  при 

холостом ходе практически одинаковы, хотя объ-

ем ПМ в SPM варианте на 18% меньше. За счет 

расположения  ПМ  в  зазоре  даже  при  большей 

в 2 раза его величине энергетика поверхностных 

ПМ позволяет получить такое же выходное напря-

жение, как в IPM конструкции;

 

– действующие  значения  напряжений  отличаются, 

причем  эта  разница  возрастает  с  9  до  13%  при 

увеличении  частоты  вращения  от  номинальной 

до  максимальной.  Это  указывает,  во-первых,  на 

лучший  гармонический  состав  кривой  напряже-

ния  у  SPM  машины,  во-вторых  —  на  изменение 

степени насыщения магнитной системы при раз-

ных частотах вращения;

 

– если в SPM варианте при переходе к нагрузоч-

ному  режиму  амплитудное  значение  фазного 

напряжения  уменьшается  в  полном  соответ-

ствии с теоретическими канонами, в IPM машине 

обратная  картина,  причем  рост  напряжения 

Рис

. 13. 

Изменение

 

тока

 (

а

и

 

напряжения

 (

б

в

 

фазе

 IPM 

генератора

б)

а)

Табл. 4. Характеристики переходного процесса

Частота

вращения

Параметр

Тип машины

SPM

IPM

n

N

U

m

0

, В

362

359

U

10

, В

248,3

270,4

U

m

, В

344

485

U

1

, В

243,5

259,8

I

1

, А

99

109

n

max

U

m

0

, В

539

537

U

10

, В

358,5

406

U

m

, В

487

702

U

1

, В

346,2

388,4

I

1

, А

144

147

весьма  значительный,  что  происходит  за  счет 

действия  перекрестной  связи  между  потоко-

сцеплениями якоря по продольной и поперечной 

 3 (66) 2021







Page 10


background image

126

осям, при этом сильно искажается форма фаз-

ного напряжения;

 

– SPM  генератор  имеет  более  жесткую  внеш-

нюю  характеристику:  номинальное  изменение 

напряжения 

U

* = (

U

10 

– 

U

1

) / 

U

1

 · 100% у SPM 

машины  —  1,9÷3,5%,  у  IPM  —  4,1÷4,5%,  мень-

шие  величины  относятся  к  меньшей  частоте 

вращения;

 

– длительность переходного процесса весьма мала, 

а сам процесс имеет апериодический характер.

ТЕХНИЧЕСКАЯ

 

РЕАЛИЗАЦИЯ

Результаты  моделирования  двигательного  и  гене-

раторного  режимов  работы  двигатель-генератора 

с  магнитоэлектрическим  возбуждением  были  ис-

пользованы  при  разработке  электромеханическо-

го  преобразователя  для  автономного  подвижно-

го  объекта  с  электрическим  приводом.  Кафедрой 

электромеханики и автомобильного электрообору-

дования Самарского государственного техническо-

го университета совместно с индустриальным парт-

нером  НПО  «Шторм»  был  изготовлен  и  испытан 

двигатель-генератор  с  индуктором,  в  котором  ПМ 

размещены на поверхности ротора (SPM конструк-

ция).  Испытания  показали  соответствие  основных 

характеристик  машины  требованиям  технического 

задания по габаритам, удельной мощности, энерго-

эффективности.  Расхождение  экспериментальных 

характеристик и характеристик, полученных анали-

тически и в результате численного моделирования, 

не  превысили  допустимых  пределов.  Фотография 

опытного образца приведена на рисунке 14.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное  сравнительное  исследование  уста-

новившихся  и  переходных  процессов  двигатель-

ного и генераторного режимов работы ЭМП с маг-

нитоэлектрическим  возбуждением  и  различными 

конструктивными исполнениями индуктора позво-

лило сделать следующие выводы:

1.  Двигатель  с  SPM  индуктором  при  сравнимых 

объемах ПМ развивает большую максимальную 

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис

. 14. 

Опытный

 

образец

 

ДГ

 

на

 

испытательном

 

стенде

НАГРУЗКА

ДГ

мощность на валу, по сравнению с IPM, и имеет 

лучшую перегрузочную способность. Для обес-

печения  требуемого  момента  в  IPM  двигателе 

необходимо либо увеличивать объем магнитов, 

либо использовать ПМ с большим показателем 

удельной магнитной энергии. Энергоэффектив-

ность обоих вариантов примерно одинакова.

2.  Динамические  процессы  в  SPM  двигателе  бо-

лее  стабильны  и  характеризуются  меньшими 

перерегулированием  и  временем  переходного 

процесса. Зубцовые пульсации момента в уста-

новившемся режиме в машине SPM ниже, чем 

в IPM.

3.  SPM генератор имеет более жесткую внешнюю 

характеристику.  Обе  машины  обладают  высо-

ким  быстродействием  по  возмущающему  воз-

действию  —  набросу  электрической  нагрузки 

в генераторном режиме работы.

4.  Для согласования величин ЭДС, момента и час-

тоты  вращения  при  переходе  с  двигательного 

на  генераторный  режим  работы  следует  про-

изводить  переключение  схемы  обмотки  якоря 

с одной на две или более параллельные ветви.

Дальнейшим  направлением  исследований  пла-

нируется  проведение  уточненных  расчетов  и  чис-

ленного моделирования нестационарного (в режи-

ме двигателя) и стационарного (режим генератора) 

тепловых процессов с целью определения критиче-

ских  перегревов  активных  частей  ДГ,  в  том  числе 

постоянных магнитов.  

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1.  Zhu Z., Liu H., Song T., Zhang Q., Hu 

W.,  Liu  W.  Performance  Evaluation 

of  a  60  kW  IPM  Motor  for  Medium 

Commercial EV Traction Application 

/ Ces Transactions On Electrical Ma-

chines And Systems, June 2019, vol. 

3, no. 2, pp. 195-203.

2.  EL-Refaie  A.M.,  Osama  M.  High 

Specifi c Power Electrical Machines: 

A System Perspective / International 

Conference  on  Electrical  Machines 

and Systems (ICEMS) August 11-14, 

2017.  URL:  https://www.research-

gate.net/publication/320251935.

3.  Krings A., Monissen Ch. Review and 

Trends in Electric Traction Motors for 

Battery Electric and Hybrid Vehicles 

/ International Conference on Electri-

cal Machines, 2020, Aug. 23-26, Go-

thenburg, pp. 1807-1813.

4.  Ronggang  N.,  Dianguo  X.,.  Gaolin 

W, Li D., Guoqiang Z., Lizhi Q. Maxi-

mum Effi  ciency Per Ampere Control 

of  Permanent-Magnet  Synchronous 

Machines  /  IEEE  Transactions  on 

Industrial Electronics, 2015, vol. 62, 

no. 4, pp. 2135-2143. 

5.  Zhou Ch., Huang X., Fang Y., Wu L. 

Comparison of PMSMs with Diff erent 

Rotor Structures for EV Application / 

International  Conference  on  Electri-

cal Machines, 2018, Sep. 3-6, Alex-

androupoli, pp. 609-614.

6.  Peelegrino  G.,  Vagati  A.,  Gugliel-

mi  P.  Design  Tradeoff s  Between 

Constant Power Speed Range, Un-

controlled Generator Operation, and 

Rated Current of IPM Motor Drives / 

IEEE Trans. Ind. Appl., 2011, vol. 47, 

no. 5, pp. 1995-2003. 

7.  Gieras  J.F.,  Wing  M.  Permanent 

Magnet  Motor  Technology.  Design 

and Application. Marcel Dekker Inc., 

New York, Basel, 2002. 590 p.

8.  Amara  Y.,  Hlioui  S.,  Belfkira  R., 

Barakat G., Gabsi M. Comparison of 

open circuit fl ux control capability of 







Page 11


background image

127

a  series  double  excitation  machine 

and a parallel double excitation ma-

chine  /  IEEE  Trans.  Veh.  Technol., 

Nov., 2011, vol. 60, no. 9, pp. 4194-

4207. 

9.  Kamiya  M.  Development  of  traction 

drive  motors  for  the  Toyota  hybrid 

system / IEEE Trans. on Ind. Appl., 

2006, vol. 126, pp. 473-479. 

10. Ki-Chan Kim. A Novel Magnetic Flux 

Weakening  Method  of  Permanent 

Magnet Synchronous Motor for Elec-

tric  Vehicles  /  IEEE  Transactions 

On  Magnetics,  Nov.,  2012,  vol.  48, 

no. 11, pp. 4042-4045.

11. Шуйский  В.П.  Расчет  электриче-

ских  машин.  М.:  Энергия,  1968. 

732 с.

  Shuyskiy  V.P.  Calculation  of  electri-

cal  machines.  Moscow,  Energiya 

Publ., 1968. 732 p. (In Russian)

12. Li  Y.,  Zhu  Z.,  Wu  X.,  Thomas  A., 

Wu Z. Comparative Study of Modu-

lar Dual 3-phase Permanent Magnet 

Machines  with  Overlapping-Non-

overlapping  Windings/  IEEE  Trans-

actions  on  Industry  Applications, 

2019, vol. 55, no. 4, pp. 1-10. 

13. Scharfenstein D., De Doncker R.W. 

Extended Operating Range of Induc-

tion Machines Using Switched Stator 

Windings / International Electric Ma-

chines  &  Drives  Conference  (IEM-

DC)  2019,  May  12-15,  San-Diego, 

pp. 97-103.

14. Zubkov Yu.V., Vladimirov D.A. Selec-

tion  of  Permanent  Magnet  Material 

for  Starter  Excitation  /  International 

Multi-Conference  on  Industrial  En-

gineering and Modern Technologies 

(FarEastCon), 6-9 Oct., 2020.

15. Зубков  Ю.В.,  Чеботков  Э.Г.  Иден-

тификация  параметров  синхрон-

ного  генератора  с  возбуждением 

от  постоянных  магнитов  методом 

численного  моделирования  маг-

нитного поля // Вестн. Самарского 

Гос. техн. ун-та. Сер. Технические 

науки, 2015, № 3(47). С. 136–141.

  Zubkov  Yu.V.,  Chebotkov  E.G.  Pa-

rameter identifi cation of synchronous 

generator  with  permanent  magnet 

excitation system by digital magnetic 

fi eld  simulation  // 

Vestnik Samarsk-

ogo Gos. tekhn. universiteta. Seriya 
Tekhnicheskiye nauki

  [Bulletin  of 

Samara  State  Technical  University. 

Technical  Sciences  series],  2015, 

no. 3(47), pp. 136–141. (In Russian)

16. Ганджа С.А., Ерлышева А.В. Стар-

тер-генератор  для  автономных 

источников  электроснабжения  // 

Вестник ЮУрГУ, 2005, т. 9. С. 84–

86.

  Gandzha S.A., Yerlysheva A.V. Start-

er-generator  for  standalone  power 

supply  sources  // 

Vestnik YUUrGU 

[News of South Ural State Universi-

ty], 2005, vol. 9, pp. 84–86. (In Rus-

sian)

17. Полихач  Е.А.  Магнитоэлектриче-

ский  генератор  электротехниче-

ских комплексов малых транспорт-

ных  средств.  Дисс.  …канд.  техн. 

наук.  Уфа:  ГОУ  ВПО  «Уфимский 

государственный 

авиационный 

технический  университет»,  2009. 

135 с.

  Polikhach  E.A.  Magnetic-electrical 

generator  of    electrical  facilities  of 

small  transportation  means.  Ph.D 

thesis  in  Engineering  Science.  Ufa, 

Ufa State Aviation Technical Univer-

sity, 2009. 135 p. (In Russian)

18. Бунаков  И.Ю.  Совмещенные  сис-

темы  стартер-генераторов  //  Мо-

лодежь и наука, 2013, № 3. С. 5.

  Bunakov  I.Yu.  Integrated  starter-

generator systems // 

Molodezh i na-

uka 

[Youth and science], 2013, no. 3, 

p. 5. (In Russian)

 3 (66) 2021



Оригинал статьи: Магнитоэлектрический двигатель-генератор автономного мобильного объекта

Ключевые слова: постоянные магниты, индуктор, синхронные машины, SPM, IPM, двигатель-генератор, автономные энергетические объекты

Читать онлайн

Одним из направлений совершенствования энергетических электроустановок автономных объектов является совмещение функций стартерных (двигательных) и генераторных режимов работы в одной электрической машине. При этом экономятся расходы на активные и конструктивные материалы совмещенного электромеханического преобразователя и силового полупроводникового электрооборудования. Значительное сокращение массогабаритных показателей — весьма актуальный результат для большинства автономных объектов (электромобилей, специальных транспортных средств, систем электрозапуска и генерирования наземных газотурбинных двигателей). Использование постоянных магнитов с высокой удельной энергией для индуктирования основного магнитного потока в таких машинах делает это направление еще более перспективным. Однако ограниченные возможности регулирования потока постоянных магнитов ставят перед исследователями ряд существенных проблем, связанных с особенностями работы электрической машины в двигательном и генераторном режимах. Требования по номинальному напряжению, частоте вращения, моменту для двигателя и генератора могут различаться в несколько раз. В предлагаемой статье рассмотрены некоторые аспекты обеспечения таких противоречивых требований в магнитоэлектрическом двигатель-генераторе с различными типами конструкции ротора и схемами обмоток статора. Результаты численного моделирования электромагнитных процессов дают возможность сделать обоснованный выбор типа индуктора и схемы обмотки.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 5(86), сентябрь-октябрь 2024

Регулируемые трехфазные выпрямительные устройства с корректором входного коэффициента мощности

Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Оборудование
Мыцык Г.С. Мье М.Т. Тюряхин Е.О.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»