CC BY-NC
64
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-140-150 УДК 621.313-11
Ф.А. Гельвер
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ФГБОУ ВО «ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова», Санкт-Петербург, Россия
КОНСТРУКЦИИ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Объект и цель научной работы. В статье рассмотрены наиболее популярные типы реактивных электрических машин. Представлено математическое описание реактивных электрических машин и выведены аналитические зависимости.
Материалы и методы. Осуществлен обзор конструктивных исполнений наиболее распространенных типов реактивных электрических машин. Приведены количественные оценки сравнения различных типов реактивных электрических машин по энергетическим характеристикам.
Основные результаты. На основе результатов сравнения различных типов реактивных электрических машин по энергетическим и эксплуатационным характеристикам, а также конструктивным особенностям и технологии изготовления показано и доказано что наилучшим типом реактивной машины является реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
Заключение. Предложены новые конструкции ротора, которые позволяют совместить высокую технологичность изготовления и высокий показатель энергетической эффективности.
Ключевые слова: реактивная электрическая машина, реактивная индукторная электрическая машина, анизотропный ротор, зубчатый ротор, магнитная проводимость, пульсация индуктивностей обмоток, преобразование Ляпунова, коэффициент мощности, показатель энергетической эффективности, коэффициент энергетической эффективности, анизотропная магнитная проводимость ротора, продольная и поперечная шихтовка ротора, ALA, TLA. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391-140-150 UDC 621.313-11
F. Gelver
Krylov State Research Centre, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping, St. Petersburg, Russia
RELUCTANCE MOTOR DESIGNS: ADVANTAGES AND DRAWBACKS
Object and purpose of research. This paper discussed the most populsr types of reluctance motors, giving their mathematical description and deriving analytical expressions.
Materials and methods. This study is a review of the most common types of reluctance motors with comparison of their power parameters.
Main results. Based on the comparison of various reluctance motors in terms of their operational and power parameters, as well as in terms of their design peculiarities and manufacturing technology, this paper demonstrates that reluctance motors with anisotropic magnetic conductance of rotor are currently the best type of reluctance machines. Conclusion. The paper suggests new rotor designs combining ease of manufacturing and high efficiency. Keywords: reluctance machine, induction reluctance motor, anisotropic rotor, indented rotor, magnetic conductance, coil inductance pulses, Lyapunov transformation, power factor, power efficiency criterion, power efficiency coefficient, anisotropic magnetic conductance of rotor, axially laminated anisotropic rotor (ALA), transversally laminated anisotropic rotor (TLA).
Author declares lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Гельвер Ф.А. Конструкции реактивных электрических машин. Характеристики, достоинства и недостатки. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 1(391): 140-150.
For citations: Gelver F. Reluctance motor designs: advantages and drawbacks. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 1(391): 140-150 (in Russian).
В настоящее время в регулируемом электроприводе все большую популярность и все более частое применение находят реактивные электрические машины. Основной отличительной особенностью данного класса электрических машин является наличие пассивного ротора и, как следствие, такие электрические машины имеют потенциально лучшие энергетические, эксплуатационные и массогабаритные характеристики. Согласно терминологии, изложенной в ГОСТ [1], «реактивный синхронный электродвигатель - синхронный двигатель, вращающий момент которого обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов». Несмотря на то, что самой распространенной электрической машиной была и остается асинхронная электрическая машина, при проектировании и реализации электропривода средней и большой мощности все большее предпочтение отдают именно реактивным электрическим машинам. Это связано с рядом их преимуществ, таких как простота конструкции, пассивный ротор и, как следствие, отсутствие в нем электрических потерь, высокие энергетические характеристики, высокая надежность, низкая стоимость и т. д.
Класс реактивных электрических машин известен достаточно давно, первые упоминания о таких электрических машинах датированы XIX веком. Ранее считалось, что реактивные электрические машины создают незначительный электромагнитный момент и имеют низкие коэффициенты мощности и полезного действия. Поэтому до недавнего времени реактивные электрические машины выпускали мощностью от десятков до нескольких сотен Ватт и использовали в качестве микромашин различной автоматики, телемеханики и в прочих устройствах. Практическое же использование реактивных электрических машин в регулируемых электроприводах было ограничено функциональными возможностями существующих на тот момент времени электрических преобразователей. Однако с развитием элементной базы силовой электроники и преобразовательной техники появилась возможность осуществления управления таким классом электрических машин с реализацией сложных алгоритмов по различным критериям.
Кроме того, развитию такого класса электрических машин способствует энтузиазм инженеров, ученых и изобретателей по всему миру, а также рост промышленного производства, значительное увеличение установленных мощностей регулируемых электроприводов и повышенные требования
по показателям энергетической эффективности, надежности, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам, предъявляемым к регулируемым электроприводам.
Принцип действия реактивных электрических машин основан на способности ферромагнитных тел ориентироваться под действием внешнего магнитного поля. Основной магнитный поток в такой электрической машине создается за счет магнитодвижущей силы со стороны статора, а вращающий момент возникает из-за разницы в магнитных проводимостях по продольной и поперечным осям. При этом магнито-провод ротора стремится занять по отношению к магнитному полю статора такое положение, при котором магнитное сопротивление для силовых линий магнитного поля было бы минимальным. Неравенство магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора приводит к пульсациям индуктивностей обмоток статора реактивной машины. Наибольшее значение индуктивности фазной обмотки обозначается как Ld и называется продольной индуктивностью, а наименьшее - как Lq и называется поперечной индуктивностью. Поскольку принцип действия реактивных машин основан на пульсациях индуктивностей обмоток статора, то размах пульсаций определяет величину электромагнитного момента, а отношение Ld /Lq является показателем качества их конструкции. Однако следует отметить, что энергетические характеристики и эффективность работы электромеханического преобразователя зависит не только от показателя качества конструкции, но и от алгоритмов управления электрической машиной.
Отличительные особенности конструкции реактивной электрической машины
Peculiarities of reluctance motor
Реактивная электрическая машина, как любая другая электрическая машина, конструктивно состоит из статора и ротора. Существует множество конструкций реактивных электрических машин, отличающихся формой магнитопровода статора, формой магни-топровода ротора, организацией вырезов, а также используемыми материалами. Основным функциональным назначением статора реактивной электрической машины является создание вращающегося магнитного поля. Ток, протекающий в обмотках статора реактивной электрической машины, отвечает за намагничивание (ток возбуждения) и за создание электромагнитного момента (ток нагрузки), который
пытается уменьшить искаженность внешнего магнитного поля вызванного несогласованным положением ротора. При этом магнитопровод ротора организует путь для замыкания линии магнитного поля, порождаемого статором, таким образом, чтобы ротор синхронно вращался с магнитным полем статора.
Конструкции магнитопровода и обмоток статора реактивных машин подразделяются на машины, у которых пульсируют только собственные фазные индуктивности обмоток статора [2], и машины, у которых пульсируют как собственные, так и взаимные индуктивности [3]. Реактивные машины, у которых пульсируют только собственные индуктивности, имеют многосекционные сосредоточенные фазные обмотки с укороченным шагом, обеспечивающим отсутствие взаимных индуктивностей между фазами. Пульсации индуктивностей фазных обмоток у машин данного типа обеспечиваются зубчатой формой основания цилиндра ротора. Обмотки реактивных машин, в которых пульсируют как собственные, так и взаимные индуктивности, выполняют распределенными - они имеют конструкцию, идентичную обмоткам асинхронного электродвигателя. В теории существуют электрические машины, у которых пульсируют только взаимные фазные индуктивности обмоток статора, однако они не получили практического применения из-за низкой эффективности.
Пульсаций индуктивностей статорных обмоток можно добиться путем использования различных конструктивных исполнений ротора. При этом еще раз следует подчеркнуть, что ротор реактивной электрической машины - пассивный и не имеет обмоток и постоянных магнитов. Известны две наиболее распространенные конструкции ротора реактивной электрической машины. Суть первой состоит в придании основанию цилиндра ротора зубчатой формы. Суть второй конструкции основана на придании материалу цилиндра ротора свойств, обуславливающих его анизотропную магнитную проводимость. Под свойством анизотропной магнитной проводимости понимают различную магнитную проводимость по продольной и поперечной осям полюса ротора. Причем придание свойств, обуславливающих анизотропную магнитную проводимость ротора, может быть выполнено как на конструктивном, так и на молекулярном уровне с использованием соответствующих материалов. Наиболее распространены конструкции ротора, в которых магнитная несимметрия выполнена на конструктивном уровне с использованием вырезов либо изгиба пластин в полюсе, которые обеспечивают путь для замыкании линии магнитного поля.
Математическое описание реактивной электрической машины
Mathematical description of reluctance motor
Схема замещения реактивной электрической машины представлена на рис. 1.
К да-фазным обмоткам статора приложены напряжения Us с угловой частотой œ1, которые порождают токи статора Is. Матричное уравнение напряжений статора
Us = Rs ■1 s + P{Lss ■1 s К
(1)
где Я3 — сопротивление обмотки статора; — матрица индуктивностей да-фазной обмотки статора.
Уравнения (1) с периодическими коэффициентами с использованием преобразования Ляпунова могут быть преобразованы к виду
U = R ■Ij + ю ■ E ■ Ldq ■ I, + Ldq ■ pl1,
(2)
где œ = py — электрическая угловая скорость вра-
щения ротора; Ldq =
Ld
0
0 Lq
матрица экстре-
мальных индуктивностей обмотки статора; Я = Я5 — сопротивление обмотки статора; Е — матрица поворота на п/2. Напряжения и1 и токи 11 в данной системе координат в стационарном режиме работы являются постоянными величинами.
Матрица экстремальных индуктивностей обмотки статора для машин с пульсирующими собственными индуктивностями обмоток статора
L
dq
3 т 1 г
-■ Ld + -■ Lq
4 d 4 q
0
0
1 Г 3 r -■ Ld + -■ Lq
4 d 4 q
матрица экстремальных индуктивностей обмотки статора для машин с пульсирующими собственными и взаимными индуктивностями обмоток статора
L
dq
Ld 0
0
Lq
Для стационарного режима работы реактивной электрической машины уравнения (2) могут быть представлены в развернутом виде:
R* R*
ю ■ Lq ■ iq
(3)
ю
■ Ld ■ iq
где Я1 — относительное электрическое сопротивление обмотки статора; Ьа и Ьч — относительные
продольная и поперечная индуктивности; ю - относительная угловая частота вращения ротора. Напряжения иа, ид и токи , в стационарном режиме работы являются постоянными величинами. +; ud = ^
я?
*2 *2 ud +uq .
Относительные потери мощности в реактивной электрической машине можно записать в следующем виде:
АР*
-К <2 + R
■ *2 ■d 'ld ,
(4)
где Яд = Я1 - относительное электрическое сопротивление обмотки статора; Яd - относительное сопротивление контура намагничивания статора Яd = Яд + Я0 , учитывающее электрические
и магнитные потери в контуре намагничивания;
*
Я0 - активное относительное сопротивление, характеризующее номинальные потери в магнито-проводе.
Электромагнитный момент в относительных единицах
м* = (l*d -L*Q)-j* .j* = L*d ■ (i-%).j*d-C
(5)
Т Т
где , Ьд - индуктивности продольного и поперечного контуров; ^ = Ьд /Ьв - коэффициент поперечного рассеяния контуров.
С помощью предложенного коэффициента поперечного рассеяния контуров удобно оценивать качество конструкции и осуществлять сравнение различных типов реактивных электрических машин.
К основным энергетическим характеристикам электрических машин относят коэффициент полезного действия п и коэффициент мощности соб(Ф). Опуская промежуточные вычисления, представим их зависимости от параметров и конструктивных особенностей электрической машины.
Us
^ss
Рис. 1. Схема замещения реактивной электрической машины
Fig. 1. Reluctance motor substitution layout
Коэффициент мощности:
p u С05(Ф) = — =
о
d 'd
jd + uq ■ lq
* д S*
ffl ■ M
(6)
где иа и ¡а - относительные значения модулей векторов напряжения и тока статора.
Коэффициент полезного действия:
П --^-тА-Г77Т, (7)
1 + -
tan(9)
1 - Ç è tan(9)
где г = Я^юЬ); 0 - угол нагрузки по напряжению.
Максимальное значение коэффициента полезного действия без учета потерь в стали при
М* = &п^т(2^) достигает - 1
Птах —
1+
2-r
1 - Ç
Графики коэффициента мощности и коэффициента полезного действия от относительного значения момента для электрических машин при различных значениях коэффициента поперечного рассеяния контуров приведены на рис. 2.
cos(<) 1
Рис. 2. Зависимость от относительного значения момента коэффициентов:
а) мощности;
б) полезного действия без учета потерь в стали
Fig. 2. Relative torque vs
a) power factor,
b) efficiency (losses in steel not considered)
0,5
a)
= 0,1
e, = 03 N
0,5
6)
r *= 0,025
= 0,1 = 0,2
i f E, = 0,3 M
0,5
M* 0
0,5
M*
*
I
s
*
0
С учетом того, что основную долю потерь в реактивной электрической машине составляют электрические потери, сравнение различных типов реактивных электрических машин наиболее удобно и наглядно производить с использованием показателя энергетической эффективности Э = М/АРэ который характеризует электрические потери в реактивной электрической машине, затрачиваемые на создание единицы электромагнитного момента.
В развернутом виде для реактивной электрической машины показатель энергетической эффективности определяется согласно
Э-
M
Lm
R
■ sin(2 ■ в),
где L„
Ld - Lq
Ldd Lqq
Ld = Ldd + L1;
Lq = Lqq + L1, достигает максимального значения
Эт
при в = п/4.
При этом кроме качества конструкций реактивной электрической машины немаловажным фактором, оказывающим значение на потери электрической энергии, являются алгоритмы управления электрической машиной и электроприводом на ее основе. Для оценки алгоритмов управления реактивной электрической машиной по критерию потерь электрической энергии удобно использовать коэффициент энергетической эффективности кэ = Э/Эопт = ДРэопт/ДРэ, определяемый как отношение показателя эффективности к ее максимальному значению. Коэффициент энергетической эффективности всегда удовлетворяет очевидному неравенству кэ < 1. При работе с максимальной энергетической эффективностью в электрической машине будут минимальные электрические потери ДРэ опт при заданном электромагнитном моменте. С помощью коэффициента энергетической эффективности удобно оценивать качество управления реактивной электрической машиной [4].
Более подробно рассмотрим конструкции наиболее популярных разновидностей реактивных электрических машин, используемых в регулируемом электроприводе — это реактивная индукторная электрическая машина и реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
Реактивная индукторная электрическая машина
Induction reluctance motor
Согласно терминологии, изложенной в [1], понятие «реактивная машина» является более общим и включает в себя термин «индукторная машина». Согласно ГОСТ 27471-87 под термином «индукторная машина» понимается синхронная машина, у которой статор выполняет функции якоря и индуктора, а процесс преобразования энергии обусловлен пульсациями магнитной индукции вследствие зубчатости ротора.
При этом конструктивно индукторная машина может быть выполнена в нескольких вариантах, отличающихся конструкцией статора, а именно его магнитопроводом, количеством и расположением обмоток. Ротор индукторной электрической машины при этом зубчатый.
Реактивная индукторная электрическая машина с самовозбуждением
Induction reluctance motor with self-excitation
Наибольшее распространение получили индукторные электрические машины с явно выраженной зубчатой формой статора и ротора, а также с многосекционными сосредоточенными обмотками статора. В иностранной литературе такие электрические машины имеют название switched reluctance motor (SRM) [5]. Число зубцов на роторе и статоре таких машин различно. Такая разновидность реактивных электрических машин известна достаточно давно и представляет собой, по сути, шаговый электродвигатель. Принцип действия такой машины заключался в том, что ротор электрической машины поворачивался при подаче на фазную обмотку импульса электрической энергии. В настоящее время такие электрические машины, как правило, используют импульсное питание фазных обмоток от вентильного коммутатора. Электропривод на основе такой электрической машины при импульсном управлении в отечественной литературе обычно называют вен-тильно-индукторным, а за рубежом он носит название switched reluctance drive (SRD) [5].
В индукторных машинах по фазным обмоткам текут пульсирующие прерывистые токи. Если токи обмоток статора представить полигармоническим рядом Фурье, а индуктивности обмоток - синусоидальными функциями с постоянной составляющей,
то можно показать [2], что постоянную составляющую электромагнитного момента дают гармоники тока порядка 0 и 2, а также 1. Следовательно, индукторные электрические машины с зубчатым статором и зубчатым ротором по типу питания фазных обмоток можно подразделить на два подтипа. У первого из них фазные обмотки питаются знакопеременным током, частота которого в два раза меньше частоты пульсаций фазных индуктивностей. У второго типа фазные обмотки питаются постоянной и переменной составляющей тока, частота которого совпадает с частотой пульсаций фазных индуктивностей.
Конструкцию индукторных машин целесообразно проектировать так, чтобы добиваться синусоидального характера пульсаций индуктивностей и протекающих по ним токов. Добиться синусоидального характера пульсаций индуктивностей обмоток статора можно путем проектирования геометрии поперечного сечения зубцов ротора, а также их аксиального скоса относительно зубцов статора. Форма поперечного сечения ротора, позволяющая получить синусоидальный характер пульсаций ин-дуктивностей обмоток статора, описана в работе [2]. Кроме того, такая конструкция при соответствующем управлении электрической машиной позволяет свести к минимуму пульсации электромагнитного момента.
Отношение продольной и поперечной индук-тивностей таких разновидностей реактивных электрических машин достигает значений Ld ILq = 9-12, что обеспечивает достаточно большой размах пульсаций Ld-Lq. Однако в уравнениях напряжений амплитуд первой гармоники продольного и поперечного контура возникают новые продольная LD и поперечная Lq индуктивности. Их отношение LdILq < 3. Достаточно малое отношение LdILq обуславливает низкий коэффициент мощности данной разновидности реактивных электрических машин, и, как следствие, требуется завышение установленной мощности электрического преобразователя для управления ими.
Реактивная индукторная электрическая машина с независимой обмоткой возбуждения
Induction reluctance motor with independent exciting coil
Конструктивно фазная обмотка статора индукторной машины может быть разделена на две составляющих. Первая обмотка (возбуждения) питается
постоянным током, а вторая обмотка (якоря) - синусоидальным. При этом обмотка постоянного тока играет роль, аналогичную обмотке возбуждения синхронной машины, а обмотка переменного тока -обмотке якоря. Существуют разновидности реактивных индукторных электрических машин, которые содержат независимую обмотку возбуждения, расположенную на магнитопроводе статора. Есть два возможных варианта конструктивного исполнения такой электрической машины с распределенной обмоткой возбуждения и с сосредоточенной кольцевой обмоткой возбуждения.
Вариант конструкции с распределенной обмоткой возбуждения предполагает ее установку в те же самые пазы, в которой расположена обмотка якоря, либо вариант намотки ее на ярмо магнитопровода статора. Если записать уравнения амплитуд напряжений реактивной машины, то в них можно выделить индуктивность продольного Ld и поперечного Lq контуров якоря. Отношение индуктивностей контуров такой электрической машины Ld/Lq < 3. Достаточно малое отношение Ld/Lq обуславливает низкий коэффициент мощности машины.
Конструкция ротора индукторных электрических машин с независимой сосредоточенной кольцевой обмоткой возбуждения по исполнению разделяется на одно-, двух- и многопакетные [6]. При этом конструкция и технология изготовления индукторной электрической машины с независимой сосредоточенной кольцевой обмоткой возбуждения весьма сложна. Однако результаты экспериментального исследования, представленные в [7, 8], показывают ее более высокие энергетические характеристики, сопоставимые с синхронной электрической машиной с электромагнитной системой возбуждения. Управление напряжением питания обмоток якоря индукторных электрических машин с независимой обмоткой возбуждения может быть реализовано от стандартного преобразователя частоты. Управление напряжением питания обмотки возбуждения должно осуществляться от регулируемого источника постоянного напряжения.
Реактивные электрические машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора
Reluctance motors with anisotropic magnetic inductance of rotor
Конструктивно реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора
Таблица 1. Сравнительные характеристики наиболее распространенных типов реактивных электрических машин Table 1. Comparison of the most common reluctance motors
Наиболее распространенные конструкции реактивных электрических машин
Характеристики
Конструкции магнитопроводов электрических машин с пульсирующими собственными индуктивностями обмоток статора
Конструкции магнитопроводов электрических машин с пульсирующими собственными и взаимными индуктивностями обмоток статора
Реактивная индукторная электрическая машина с самовозбуждением
Реактивная индукторная электрическая машина с независимой обмоткой возбуждения
Реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, поперечная шихтовка пакетов полюсов ротора TLA
Реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, продольная шихтовка пакетов полюсов ротора ALA
Поперечный разрез ротора
LD/LQ 3 3 6..8 10..20
cos(cp) 0,45 0,5 0,7 0,8..0,9
r\ — Аи ^max R] 13,8 17,7 26,2 30
Достоинства
■ самая простая конструкция;
■ независимость обмоток;
■ высокая надежность;
■ простой электрический коммутатор
■ возможность независимого управления током возбуждения и намагниченностью магнитопровода ротора
■ высокая технологичность изготовления
■ высокии показатель энергетической эффективности;
■ возможность изготовления с любым требуемым числом пар полюсов;
■ лучшие среди всех известных видов реактивных электрических машин массогабаритные
и энергетические характеристики
■ низкий коэффициент мощности;
■ низкий КПД при небольших мощностях;
Недостатки ■ большие масса и габариты;
■ большое количество кабелей между электрической машиной и коммутатором
■ требуется дополнительный электрический преобразователь для питания обмотки возбуждения;
■ высокая трудоемкость при изготовлении;
■ дополнительные потери энергии в обмотке возбуждения
■ сложность и проблематичность изготовления электрической машины с большим числом пар полюсов
■ высокая трудоемкость при изготовлении;
■ неотработанная технология изготовления крупных электрических машин
представляет собой электрическую машину переменного тока, при этом статор синхронной реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора конструктивно выполнен так же, как и в обычной асинхронной машине [3]. Магни-топровод ротора имеет круглое цилиндрическое основание с анизотропной магнитной проводимостью. В иностранной литературе такие электрические машины имеют название SynRM (Synchronous Reluctance Motor) [5]. Пульсировать индуктивности обмоток статора заставляет анизотропия магнитных свойств ротора, которая достигается обычно двумя конструктивными решениями. В одном случае - за счет поперечной шихтовки ротора листами электротехнической стали со специальными вырезами (TLA - Transversally Laminated Anisotropic), формирующими магнитные полюсы, а в другом - за счет продольной шихтовки (ALA - Axially Laminated Anisotropic). Машины с такими конструкциями ротора имеют различное отношение индуктивно-стей LdILq = LdILq, характеризующее их качество. У машин с поперечной шихтовкой ротора сталью ~ 6-8, а у машин с продольной шихтовкой это отношение существенно выше: £, ~ 10-20.
Согласно отношению LdILq реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой пакета ротора (TLA) по энергетической эффективности проигрывает электрической машине с продольной шихтовкой пакета полюса ротора (ALA). Однако реактивная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора с TLA ротором более технологична в изготовлении, и такие машины в составе регулируемого электропривода про-мышленно выпускают фирмы АВВ, GRUNDFOS, Siemens, KSB и другие. Тем не менее, электрическая машина с ALA ротором имеет еще одно большое преимущество: она позволяет изготовить многополюсную низкооборотную реактивную электрическую машину, что невозможно реализовать в конструкции с TLA ротором.
В табл. 1 представлено сравнение по энергетическим характеристикам наиболее популярных разновидностей реактивных электрических машин. При этом использовались среднестатистические параметры электрических машин, представленные в [2, 3]. В табл. 1 также сопоставлены достоинства и недостатки различных типов реактивных электрических машин.
Сравнить наиболее распространенные конструкции реактивных электрических машин по массогабаритным характеристикам можно с ис-
пользованием технических данных и параметров электрических машин существующих проектов гребных электроприводов, представленных в табл. 2.
Согласно техническим характеристикам и полученным числовым значениям критериев, представленным в табл. 1 и 2, видно, что по качеству конструкции, эффективности электромеханического преобразования и массогабаритным характеристикам реактивные индукторные электрические машины значительно уступают реактивным электрическим машинам с анизотропной магнитной проводимостью ротора. При этом реактивные электрические машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с продольной шихтовкой хоть и менее технологичны в изготовлении, но имеют лучшие среди всех разновидностей реактивных электрических машин энергетические характеристики, сопоставимые с энергетическими характеристиками синхронной машины с постоянными магнитами, но значительно превосходят ее по эксплуатационным характеристикам.
В рамках работ филиала «ЦНИИ СЭТ» по разработке и проектированию реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора были предложены две новые конструкции ротора [9, 10] которые сочетают в себе высокую технологичность изготовления и высокий показатель энергетической эффективности такой электрической машины. Кроме того, предложенные конструкции позволяют изготовить ротор реактивной электрической машины с любым требуемым числом пар полюсов.
Конструкция ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора (рис. 3) содержит отдельно набранные пакеты полюсов 1, скрепленные вдоль оси вала 2 машины с помощью немагнитных шпилек 3 и немагнитных шайб 4. При этом в первом варианте каждый из полюсов 1 ротора набран из листов 5 ферромагнитного материала, шихтованных поперек оси вала машины. Каждый лист 5 содержит вырезы, организующие пути для замыкания линий магнитного потока. Вторая конструкция ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора также содержит пакеты полюсов 1 ротора, выполненные отдельно друг от друга. При этом каждый из листов 5 пакета полюса 1 состоит из нескольких отдельных криволинейно вырезанных полосок ферромагнитного материала, организующих путь для замыкания линии магнитного поля.
Таблица 2. Сравнение массогабаритных характеристик реактивных электрических машин, используемых в гребных электроприводах
Table 2. Masses and sizes of reluctance motors used for propulsion drives
Реактивный двигатель Реактивный двигатель
Вентильно-индукторный с анизотропной магнитной с анизотропной магнитной
двигатель проводимостью ротора проводимостью ротора
с продольной шихтовкой ротора с поперечной шихтовкой ротора
Наименование Ледокол проекта 22470 (МСЛ) ОКР «ЕЭЭС-Н»
параметра Буксир, проект 745.1 2 МВт 200 об/мин ОКР «СЭД-БМ» 15 МВт 150 об/мин 1,7 МВт 1000 об/мин 1,63 МВт 300 об/мин СРД 540/6-ОМ5 0,5 МВт 1000 об/мин (опытный образец электрической машины в общепромышленном исполнении)
Масса, т 30 240 7,8 17,5 2,1
Удельная масса, т/МВт 15 16 4,6 10,7 4,2
Габариты, мм 2524х 2510х 2896 6840х 6000х 4500 2212х 1270х 2450 1850х 2420х 2900 1102х 1102х 910
Объем, м3 18,3 184,7 6,9 12,9 1,11
Удельный объем, м3/МВт 9,15 12,3 4,06 7,9 2,22
Плотность мощности, МВт/м3 0,1 0,08 0,25 0,12 0,45
В рамках выполняемых работ были предложены конструкции комбинированного типа электродвигатель - гребной винт, используемые для гребного электропривода подводной лодки (рис. 4). Предложенные конструкции роторов (рис. 3) позволяют совместить технологичность в изготовлении, при-
сущую реактивной машине с TLA ротором и более высокую энергетическую эффективность присущую конструкции реактивной машине с ALA ротором. Кроме того, такая конструкция ротора позволяет выполнить реактивную электрическую машину с анизотропной магнитной проводимостью ротора
Рис. 3. Конструкция ротора и двух вариантов набора пакетов полюса ротора реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью
Fig. 3. Design of rotor and two variants of rotor pole lamination for a reluctance motor with anisotropic magnetic conductance
Рис. 4. Конструкция комбинированного типа электродвигатель - гребной винт, используемого в качестве движителя подводной лодки
Fig. 4. Combined structure
(motor-propeller) used for submarine propulsion
практически с любым требуемым числом пар полюсов (рис. 4), что особенно актуально при разработке и проектировании гребных электрических машин, работающих непосредственно на гребной винт.
Заключение
Conclusion
Рассмотренный класс электрических машин обладает рядом конкурентных преимуществ, основными из которых являются пассивный ротор, простота конструкции и, как следствие, потенциально лучшие энергетические и эксплуатационные характеристики. Выделение тепла в таких электрических машинах происходит преимущественно только на статоре, поэтому легко реализуется воздушное или жидкостное охлаждение. Охлаждение ротора не требуется. Простота конструкции реактивной машины снижает трудоемкость ее изготовления и обеспечивает более высокую безотказность и надежность. Таким образом, реактивные электрические машины являются перспективным направлением для систем регулируемого электропривода большой мощности. При проектировании таких электрических машин должен быть использован комплексный подход, предполагающий оптимизацию как конструкции, так и алгоритмов управления.
Показано и доказано, что наилучшими энергетическими характеристиками обладают реактивные электрические машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с продольной шихтовкой ротора. Простая конструкция ротора и отработанная на асинхронных электрических машинах технология изготовления статора позволяют такому двигателю легко найти применение в электроприводах промышленных механизмов и в динамично развивающихся системах электродвижения транспорта.
Библиографический список
1. ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
2. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., ХомякВ.А., Лазаревский Н.А. Реактивные электрические машины с зубчатым статором и ротором. Методика проектирования. Алгоритмы управления. Санкт-Петербург: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2016. 197 с.
3. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., Хомяк В. А., Хай-ров Д.А. Синхронные машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Методика проектирования. Алгоритмы управления. Санкт-Петербург: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2016. 174 с.
4. Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф. Оценка энергетической эффективности работы электромеханического преобразователя // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. № 2-3. С. 44-46.
5. Bouchareb I., Bentounsi A., Lebaroud A. A comparative study of synchronous reluctance and switched reluctance motors for high-performance fault-tolerant applications // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2012. Vol. 39. No. 1-4. P. 793-799.
6. Жарков А.А. Разработка и исследованием вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением и микроконтроллерным управлением Ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук. Москва: 2007. 150 с.
7. Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Лашкевич М.М. Электротрансмиссия на базе вентильно-индуктор-ного двигателя с независимым возбуждением // Электротехника. 2014. № 2. С. 54-60.
8. Козаченко В. Ф., Корпусов Д.В., Остриров В.Н., Русаков А.М. Электропривод на базе вентильных индукторных машин с электромагнитным возбуждением // Электронные компоненты. 2005. № 6. С. 60-64.
9. Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора: пат. 2689319
Рос. Федерация № 2018113883; заявл. 16.04.2018; опубл. 27.05.2019. Бюл. № 15.
10. Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора: пат. 2687080 Рос. Федерация № 2018118931/07; заявл. 22.05.2018; опубл. 07.05.2019. Бюл. № 13.
References
1. Standard GOST 27471-87. Rotating electric machines. Terms and definitions (in Russian).
2. V. Samoseyko, F. Gelver, V. Khomyak, N. Lazarevsky. Reluctance motors with indented stator and rotor. Design guidelines and control algorithms. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2016. 197 p. (in Russian).
3. V. Samoseyko, F. Gelver, V. Khomyak, D. Khairov. Synchronous motors with anisotropic magnetic conductance of rotor. Design procedure and control algorithms. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2016. 174 p. (in Russian).
4. F. Gelver, V. Samoseyko. Power efficiency assessment of electromechanical converter operation // Electronics and Electric Equipment of Transport. 2009. No. 2-3. P. 44-46 (in Russian).
5. I. Bouchareb, A. Bentounsi, A. Lebaroud. A comparative study of synchronous reluctance and switched reluctance motors for high-performance fault-tolerant applications // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2012. Vol. 39. No. 1-4. P. 793-799.
6. A. Zharkov. Development and investigation of SRM drive with independent excitation and microcontroller. Autoabstract of Cand. Sci. Theses. Moscow, 2007. 150 p. (in Russian).
7. V. Kozachenko, V. Ostrirov, M. Lashkevich. Electric transmission based on SRM drive with independent excitation // Russian Electrical Engineering. 2014. No. 2. P. 54-60 (in Russian).
8. V. Kozachenko, D. Korpusov, V. Ostrirov, A. Rusakov. SRM drive with electromagnetic excitation // Electronic Components. 2005. No. 6. P. 60-64 (in Russian).
9. Synchronous electric machine with anisotropic magnetic conductance of rotor. Russian Patent 2689319 No. 2018113883. Application date April 16, 2018, publication date May 27, 2019. Bulletin No. 15 (in Russian).
10. Synchronous electric machine with anisotropic magnetic conductance of rotor. Russian Patent 2687080 No. 2018118931/07. Application date May 22, 2018, publication date May 07, 2019. Bulletin No. 13 (in Russian).
Сведения об авторе
Гельвер Федор Андреевич, к.т.н., доцент ГУМРФ им. С.О. Макарова, начальник лаборатории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Тел.: +7 (911) 260-62-95. E-mail: gelver@bk.ru.
About the author
Fyodor A. Gelver, Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: +7 (911) 260-62-95. E-mail: gelver@bk.ru.
Поступила / Received: 20.12.19 Принята в печать / Accepted: 16.03.20 © Гельвер Ф.А., 2020
