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