Технические
науки/6. Электротехника и радиоэлектроника
Чильдинов П.А., Панин М.Г.
Уфимский государственный
авиационный технический университет, Россия
Высокомоментный магнитоэлектрический
преобразователь для электротранспорта
Бурный рост городского автотранспорта привел к необходимости разработки
машин, не загрязняющих воздушные бассейны выхлопными газами, имеющих низкий уровень
шума и прогрессивные конструктивные решения. Современные технические системы
имеют ряд недостатков по своим тактико-техническим и экономическим показателям
за счет наличия редуктора, т.к. всегда предполагается определенный процент
потерь передаваемой мощности за счет сил трения [1]. В настоящее время
необходимость применения электропривода для тихоходных маневренных экипажей, от
инвалидных кресел-колясок до городских электромобилей и электробусов, является
практически бесспорной.
Новая концепция безредукторного привода исключает многие механические
потери между двигателем и рабочим агрегатом (рис. 1). Введение электромеханических
устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию
рабочих машин существенно упрощает последние, повышает их функциональные
возможности и технические характеристики. При выполнении привода ведущих колес
по типу «мотор-колесо», в едином агрегате конструктивно объединены тяговый
электродвигатель и механическая передача, соединяющая его с колесным движителем
[2].
В качестве двигателя безредукторного привода выбран и спроектирован
вариант бесконтактной синхронной электрической машины с кольцевой обмоткой на
статоре и постоянными магнитами на роторе, что обеспечивает более широкие
функциональные возможности в самых тяжелых условиях и режимах по сравнению с
асинхронной. При этом для большинства объектов управления бесконтактный
двигатель выполняется тихоходным. Высокий КПД – характерный признак такого
низкооборотного, но высокомоментного двигателя с частотным управлением [3].
Рисунок 1 – Модель безредукторного двигателя
Парк современных электромобилей состоит из пневмоколесных машин
различного класса и назначения грузоподъемностью 0,3—180 т и более, в том числе
грузового и пассажирского городского, карьерного, внедорожного транспорта и
т.д. Одна из наиболее сложных научно-технических задач – это разработка
собственно тягового электропривода, преобразующего энергию и передающую ее
ведущим колесам в соответствии с требуемой тяговой характеристикой и
технологическими циклами транспортных операций, от параметров которого во
многом зависят эксплуатационные и технико-экономические показатели электромобиля
[2].
Объектом исследования в данной работе является магнитоэлектрический
двигатель с двойным полым индуктором, совершающим вращательные движения, и кольцевой
обмоткой на якоре (рис. 2). Технологичная конструкция этого двигателя позволяет
получить малые частоты вращения и высокий пусковой момент при сравнительно
небольших габаритах и высоких энергетических показателях. Вместе с тем,
увеличивая суммарный воздушный зазор за счет применения машины с двойным
индуктором и используя редкоземельные постоянные магниты с высокой удельной
энергией, удается уменьшить реакцию якоря [5]. Для оптимального проектирования
таких машин и создания системы управления качеством при серийном производстве
требуется создание комплекса методик синтеза и анализа.
Магнитоэлектрический двигатель содержит
сердечник якоря 1 с намотанной на него кольцевой обмоткой 2, магнитопровод 3, электропроводящий двойной
индуктор 4, в виде двух полых цилиндров, набранных из постоянных магнитов.
Рисунок 2 – Магнитоэлектрический двигатель с кольцевой обмоткой
Магнитоэлектрический электромеханический преобразователь с кольцевой
обмоткой работает следующим образом. При подводе к обмотке якоря 2 трехфазного
тока из сети, в результате взаимодействия магнитных полей якоря и индуктора,
поле якоря увлекает за собой индуктор. Возбуждаясь от поля постоянных магнитов,
индуктор приходит во вращение, обуславливая электромагнитный момент. При этом
индуктор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле якоря [4].
При питании обмоток статора системой синусоидальных напряжений с необходимым
временным сдвигом имеет место режим синхронного двигателя. Магнитоэлектрический
двигатель с кольцевой обмоткой способен также работать в режиме генератора электрической
энергии. Имеется возможность осуществлять программирование параметров, изменять
характеристики привода путем изменения его структуры, а также путем изменения
формы фазных напряжений или переключения секций обмотки статора синхронной
машины.
Конструкция якоря электрической машины позволяет упростить обмотку,
обеспечить надежное крепление обмотки к сердечнику, защитить обмотку от
различных воздействий. За счет очень малых лобовых частей кольцевой обмотки
электрическая машина имеет лучшие энергетические и массогабаритные характеристики.
Конструкция ротора 4 и магнитопровода 3 позволяет при
максимальном использовании поля постоянных магнитов, получить высокий
электромагнитный момент, улучшить условия охлаждения, при этом не нарушается
требование минимальных веса и габаритов. Равномерное
распределение обмотки якоря дает возможность получать совершенно равномерное
вращение двигателя, что значительно улучшает свойства электрических машин.
Список литературы
1. Ставров О.А. Перспективы создания эффективного электромобиля. – М.:
Наука, 1994. – 165 с.
2. Яковлев А.И. Конструкция и расчет электромотор-колес. – М.: Машиностроение, 1995. – 238 с.
3. Исмагилов Ф.Р. Электромагнитные элементы систем управления со
сложной геометрией ротора. – Уфа:
УГАТУ, 1997. – 139 с.
4. Хайруллин И.Х. Электромагнитные поля и параметры электромеханических преобразователей
энергии: учебное пособие / И.Х. Хайруллин, В.А. Папернюк, Д.Ю. Пашали. – Уфа: УГАТУ, 2007. – 165 с.
5. Пат. № 112536 РФ. Магнитоэлектрический электромеханический преобразователь с кольцевой обмоткой/Ф.Р.Исмагилов, И.Х.Хайруллин, П.А.Чильдинов. 2011.