CC BY
35
2023 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 45 Научная статья
Б01: 10.15593/2224-9397/2023.1.04 УДК 621.313.2
И.А. Чуйдук, Д.С. Ганджа
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия
МОТОР-КОЛЕСО НА БАЗЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛУЧШЕЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ГИБРИДНОГО И ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА
Описан проект по созданию электротрансмиссии для наземных транспортных средств. В качестве компоновки предложен вариант мотор-колеса, при котором тяговый электродвигатель, силовая электроника, система управления и тормозная система встроены в диск колеса. Такое расположение тягового электродвигателя позволяет освободить пространство автомобиля для комфорта и размещения накопителя электроэнергии. В качестве электродвигателя предложена машина комбинированного возбуждения, магнитный поток в которой создается одновременно постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. Постоянные магниты позволяют увеличить мощность в ограниченных габаритах диска, а обмотка возбуждения позволяет регулировать магнитный поток, что значительно расширяет диапазон изменения скоростей и моментов транспортного средства. Конструкция электродвигателя инновационная и защищена патентом РФ. Цель исследования: для разработки мотор-колес предложенного типа была поставлена цель по созданию проектной системы. Методы: проектная система представляет собой комплекс программ, который состоит из двух частей: системы синтеза и системы анализа. Система синтеза генерирует оптимальную геометрию электродвигателя под конкретное техническое задание заказчика. Она содержит многоуровневую структуру, что позволяет реализовывать разработки для различных проектных ситуаций с ограничениями и без ограничений. Система содержит 7 таких уровней. Критерии оптимальности можно выбирать в зависимости от требований проекта. Система анализа построена по принципу цифрового двойника. Методической основой ее является метод конечных элементов. Система позволяет провести детальный анализ электромагнитного и теплового состояния, получить все необходимые интегральные характеристики. Результаты: основным результатом проведенного исследования является возможность на основе созданного программного комплекса разрабатывать конструкции мотор-колес на разную мощность для транспортных средств различного типа. Проектная система позволяет разработчику пройти дистанцию от технического задания до этапа разработки конструкторской документации с минимальными техническими рисками на одном рабочем месте в автоматизированном режиме человек-машина. Проектная система была использована в конкретном проекте. С помощью нее был разработан макетный образец мотор-колеса для гоночного электроболида для участия в Международных соревнованиях «Формула-студент». Представлены конструкция макетного образца и результаты его испытаний. Работоспособность проектной системы проверена на цифровом аналоге реальной гоночной трассы, которая разбита на участки с заданными скоростными режимами. Программа выводит 15 параметров как автомобиля, так и электродвигателя. Практическая значимость: разработанный комплекс программ представляет собой очень удобный инженерный инструмент, который во многом облегчает начальный сложный этап разработки, который связан с электромагнитными расчетами тягового электродвигателя. Гибкость проектной системы позволяет реализо-
вать практически любое техническое задание с большим количеством ограничений. Цифровые модели системы анализа ослабляют технические риски перед изготовлением макетного и опытного образца. Сокращается объем конструкторских испытаний, так как часть из них можно провести на цифровой модели. Проектная система по разработке мотор-колес на базе вентильного двигателя комбинированного возбуждения может быть применена в конструкторских подразделениях электромашиностроительных предприятий. Обсуждение: развитие электромашиностроения неуклонно идет по пути так называемого «сквозного проектирования», при котором, с одной стороны, сокращается число инженерных кадров при разработке нового изделия с увеличением функциональной роли каждого инженера, с другой стороны, сокращается объем сопроводительной бумажной документации. В перспективе технологическая цепочка сократится до звеньев «цифровая расчетная модель - цифровая конструкторская модель - цифровое изготовление прототипа». Понятно, что реализация этой технологии - это длительный и сложный процесс, но уже сейчас разрабатываемые программные средства должны учитывать эту тенденцию. В предлагаемой научной работе сделана такая попытка.
Ключевые слова: мотор-колесо, вентильный электродвигатель, комбинированное возбуждение, проектная система, многоуровневая оптимизация, электромагнитный анализ, тепловой анализ, цифровой двойник.
I.A. Chuiduk, D.S. Gandzha
South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation
THE MOTOR-WHEEL BASED ON A BRUSHLESS ELECTRIC MOTOR OF COMBINED EXCITATION IS THE BEST SOLUTION FOR HYBRID AND ELECTRIC VEHICLES
The article describes a project to create an electric transmission for ground vehicles. As a layout, a motor-wheel variant is proposed, in which a traction electric motor, power electronics, control system and brake system are integrated into the wheel disk. This arrangement of the traction motor allows you to free up the space of the car for comfort and placement of the electric power storage. A combined excitation machine is proposed as an electric motor, the magnetic flux in which is created simultaneously by permanent magnets and an excitation winding. Permanent magnets allow you to increase the power in the limited dimensions of the disk, and the excitation winding allows you to adjust the magnetic flux, which significantly expands the range of speeds and torques of the vehicle. The design of the electric motor is innovative and protected by a patent of the Russian Federation. Рurpose: to develop motor wheels of the proposed type, the goal was set to create a design system. Methods: the project system is a set of programs that consists of two parts: a synthesis system and an analysis system. The synthesis system generates the optimal geometry of the electric motor for a specific technical task of the customer. It contains a multi-level structure that allows you to implement developments for various project situations with and without restrictions. The system contains 7 such levels. Optimality criteria can be selected depending on the requirements of the project. The analysis system is built on the principle of a digital double. Its methodological basis is the finite element method. The system allows you to conduct a detailed analysis of the electromagnetic and thermal state, to obtain all the necessary integral characteristics. Results: the main result of the conducted research is the possibility, based on the created software package, to develop motor-wheel designs with different power for vehicles of various types. The design system allows the developer to go the distance from the technical task to the stage of development of design documentation with minimal technical risks at one workplace in an automated man-machine mode. The project system was used in a specific project. With the help of it, a mock-up model of a motor wheel for a racing electric car was developed for participation in International competitions "Formula Student". The design of the mock-up sample and the results of its tests are pre-
sented. The operability of the design system has been tested on a digital analogue of a real race track, which is divided into sections with specified speed modes. The program outputs 15 parameters of both the car and the electric motor. Practical significance: the developed software package is a very convenient engineering tool that greatly facilitates the initial complex stage of development, which is associated with electromagnetic calculations of the traction motor. The flexibility of the design system allows you to implement almost any technical task with a large number of restrictions. Digital models of the analysis system mitigate technical risks before the production of a mock-up and prototype. The volume of design tests is reduced, since some of them can be carried out on a digital model. The design system for the development of motor wheels based on a brushless motor of combined excitation can be applied in the design departments of electrical engineering enterprises. Discussion: the development of electrical engineering is steadily following the path of the so-called "end-to-end design", in which, on the one hand, the number of engineering personnel is reduced when developing a new product with an increase in the functional role of each engineer, on the other hand, the volume of accompanying paper documentation is reduced. In the future, the technological chain will be reduced to links digital calculation modeldigital design model-digital prototype manufacturing. It is clear that the implementation of this technology is a long and complex process, but already now the software tools being developed should take into account this trend. In the proposed scientific work, such an attempt is made.
Keywords: motor-wheel, valve electric motor, combined excitation, design system, multilevel optimization, electromagnetic analysis, thermal analysis, digital twin
Введение
Развитие наземных транспортных средств в последние десятилетия показывает, что на смену традиционному двигателю внутреннего сгорания (ДВС) в качестве источника движения приходит электрическая тяга. Эта тенденция проявляется в увеличении числа так называемого гибридного транспорта, где ДВС еще присутствует в трансмиссии, но уже как промежуточное звено генерации электроэнергии.
Конечно, этот переход объясняется жесткими требованиями к экологии крупных мегаполисов, но это не главное. Технические системы имеют закономерности своего развития. Они зарождаются, тщательно исследуются в лабораториях, комерциализуются и потом сходят с исторической сцены как морально и технически устаревшие и отжившие свой век [1-3]. Ситуацию не спасает применение новых материалов, компьютеризация систем управления и функционирования, улучшение дизайна и комфорта внутреннего интерьера. Трансмиссии на базе ДВС свой век отживают. Конечно, их может ждать участь велосипеда, когда, оставаясь на одном уровне развития, они могут существовать достаточно длительное время, но это вряд ли. За автомобильной индустрией стоит углеводородная энергетика, которая тоже с неизбежностью пойдет на спад [4, 5]. Это вопрос времени.
Узким местом в развитии электротранспорта является аккумуляция электроэнергии. Казалось бы, что с развитием литий-ионных батарей эта проблема быстро решится, но процесс затянулся, и проблема осталась. Скорее всего, накопление пойдет по пути топливных элементов.
Они имеют большую перспективу. В АКБ объем накопления электроэнергии определяется объемом электродов, а он конечен и не может быть очень большим, особенно для транспортных средств. В топливных элементах электроэнергия хранится в жидких агентах, а этот объем ограничен только емкостью хранения, которая может быть значительной.
Проблема накопления и хранения электроэнергии входит в перечень 12 мировых проблем, которые существенным образом изменят экономики ведущих стран, и будет решена, в том числе и для транспортных средств [6]. Разработчикам электротрансмиссий надо быть готовыми к этому и предложить научному и инженерному сообществу жизнеспособные, технологичные и перспективные концепции и конкретные технические решения. В данной статье предпринимается такая попытка. Предлагается рассмотреть научные заделы по разработке электротрансмиссии на основе мотор-колеса с вентильным электродвигателем комбинированного возбуждения.
Выбор компоновки электротрансмиссии
При выборе компоновки электротрансмиссии из рассмотрения исключим варианты гибридного электротранспорта, как не имеющего перспективу. Со временем ДВС уйдет из структуры транспортного средства по названным причинам. Будем рассматривать только электрические трансмиссии. На рис. 1. представлены наиболее распространённые виды существующих электротрансмиссий [7-10].
а б в
Рис. 1. Наиболее распространенные электротрансмиссии транспортных средств (а - тяговый электродвигатель расположен на оси приводных колес, б - тяговые электродвигатели соединены с валом колес; в - тяговые двигатели расположены в ободе колес (мотор-колесо)
На рис. 1, а показана наиболее распространенная электротрансмиссия. Она наиболее приближена к современному автомобилю и отличается только тем, что механический момент на ось колеса заменен электромагнитным моментом тягового электродвигателя. Такая компоновка оправданна, когда бензиновый автомобиль переделывается на электромобиль без изменения геометрии и структуры самого транспортного средства. Какое-то время это направление будет развиваться, но недолго. Это связано с большим количеством неиспользуемого объема, например, объема обода колеса, наличием карданного вала и коробки передач, которые тоже морально устарели. Попытки использовать не специализированный электродвигатель трансмиссии, а серийно выпускаемый вообще обречены на провал.
На рис. 1, б изображена электротрансмиссия, в которой электродвигатели приближены к колесу, но еще не встроены в него. Она более перспективна, поскольку дает много возможностей системе управления всеми четырьмя колесами. Для этой трансмиссии можно применить серийные колеса с серийным ободом, что очень благоприятно для унификации транспортных средств. Но проблемы неиспользуемых объемов остаются.
На рис. 1, в изображена электротрансмиссия на основе мотор-колес, т.е. варианта, когда тяговый двигатель и все необходимые элементы привода, включая тормозные колодки, расположены в объеме обода колеса. Такая электротрансмиссия технически достаточно сложная и требует специальной разработки для каждого транспортного средства, по она лежит в направлении закономерностей развития технических систем. Эта закономерность свидетельствует о том, что техническая система без существенного усложнения и увеличения объема в своем развитии начинает выполнять все больше и больше функций [1]. Так, само колесо выполняет не только функцию качения, но и функцию тяги, управления движением, торможения, рекуперации механической энергии в электрическую. При этом освобождается подкапотное пространство для других важных целей транспортного средства, включая комфорт. Понятно, что такие мотор-колеса надо разрабатывать. Для этого надо создавать проектные системы синтеза и анализа, цифровые двойники для отработки всех сложных систем управления. Выберем последнюю компоновку в качестве базовой для нашего перспективного транспортного средства.
Выбор тягового двигателя
При выборе тягового электродвигателя применительно к мотор-колесу некоторые типы сразу можно оставить без рассмотрения. Это прежде всего электродвигатели, имеющие контактный токоподвод к вращающимся частям. В условиях агрессивной среды, в которой находится колесо, эти варианты не приемлемы из-за низкой надежности. Таким образом, исключим коллекторные двигатели постоянного тока, синхронные электродвигатели с обмоткой возбуждения на роторе, асинхронные электродвигатели с фазным ротором.
Для оставшихся бесщеточных электродвигателей правильным бы было в одинаковых габаритах мотор-колеса, по одному и тому же техническому заданию сделать проект и сравнить полученные удельные энергетические показатели, такие как мощность, на единицу массы или объема, или развиваемый электромагнитный момент на единицу массы или объема. Но такие научные изыскания потребуют очень больших усилий, поэтому сделаем выбор на основе качественного анализа.
Электродвигатели, которые не имеют собственного источника возбуждения в индукторе по энергетическим показателям заведомо проигрывают электродвигателям, которые этот источник имеют. Это синхронные реактивные электродвигатели и вентильно-индукторные электродвигатели. И теория, и практика показывает, что по развиваемому моменту и мощности они составляют примерно 25-40 % от двигателей с возбуждением. На этом основании исключим их из рассмотрения.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором нашли широкое применение в существующих электротрансмиссиях. Бесконтактность, надежность и дешевизна являются главными аргументами при таком выборе. Но из теории известно, что возбуждение асинхронная машина берет из обмотки якоря, следовательно, обмотка якоря должна быть увеличена на величину этой реактивной энергии. Это около 10-15 %. Для мотор-колеса с ограниченными габаритами это существенно. Сложность частотного регулирования тоже ограничивает применение этого варианта.
Вентильные электродвигатели с постоянными магнитами нашли применение в мотор-колесах, но их применение для электротрансмиссий столкнулось со следующими сложностями. Приводы транспортных средств имеют широкий диапазон изменения моментов и скоростей. На
старте колесо должно развивать большие моменты, на шоссе необходимо иметь большие скорости. С постоянным магнитом, который имеет неизменный магнитный поток, обеспечить этот диапазон практически невозможно. Некоторые компании закладывают две обмотки в пазы якоря: одну на большие моменты и малые скорости, другую на большие скорости и малые моменты. Но это приводит к недоиспользованию якорной меди и, соответственно, снижению удельных энергетических показателей. Схема управления при этом тоже значительно усложняется.
На основе проведенного качественного анализа преимущество может иметь класс вентильных электрических машин комбинированного возбуждения. Эти электрические машины имеют два источника магнитного поля для возбуждения: это постоянные магниты и обмотка возбуждения. При этом высококоэрцитивные постоянные магниты позволяют получить хорошие энергетические показатели в малом объеме, а обмотка возбуждения позволяет регулировать результирующий магнитный поток. Известны конструкции вентильных машин комбинированного возбуждения с размещением обмотки возбуждения на неподвижном статоре, т.е. они удовлетворяют требованиям бесщеточного токоподвода. Таким образом, этот тип электрических машин в ограниченном объеме мотор-колеса может обеспечить требуемые электромагнитные параметры при широком диапазоне их регулирования. Выберем этот вариант в качестве базового для дальнейшего рассмотрения.
Описание конструкции и принципа действия электродвигателя комбинированного возбуждения
Применительно к мотор-колесу наиболее предпочтительной является обращенная конструкция электродвигателя комбинированного возбуждения с встроенным редуктором. Соединение статора с ротором консольное (рис. 2).
Электродвигатель содержит статор, состоящий из шихтованных пакетов, напрессованных на части массивного магнитопровода. Пакеты расположены на расстоянии друг от друга. В пазах шихтованных пакетов расположена якорная обмотка. Обмотка возбуждения находится между пакетами статора и имеет бесконтактный токоподвод. Индуктор находится на внешней вращающейся части. Он состоит из двух колец, в которые поочередно друг за другом по окружности вклеены
постоянные магниты радиальной намагниченности и магнитопроводя-щие полюса. Причем на одном кольце расположены магниты одной полярности, на другом кольце магниты противоположной полярности. Наличие встроенного двухвенцового планетарного редуктора позволяет существенно сократить габариты мотор-колеса. Для работы мотор-колеса необходим электронный коммутатор, который осуществляет переключение обмоток статора по сигналу от датчика положения ротора. Более детально конструкция описана в литературе [11].
Рис. 2. Поперечное сечение мотор-колеса (1, 2 - шихтованные пакеты статора; 3 - обмотка якоря, 4 - обмотка возбуждения; 5 - диск колеса, 6 - полюс, 7 - постоянный магнит, 8 - массивный магнитопровод, 9 - вставка, 10,11, 12 - винтовые соединения)
Мотор-колесо работает следующим образом. Магнитные потоки от постоянных магнитов и от обмотки возбуждения замыкаются по своим маршрутам, пересекаясь только в спинке ротора и массивном магнитопроводе статора, при этом в одной части проводников якорной обмотки наводится ЭДС от потока постоянных магнитов, а в другой части проводников якорной обмотки наводится ЭДС от потока обмотки возбуждения. Магнитный поток от постоянных магнитов свою величину и направление не меняет, а магнитный поток от обмотки возбуждения может менять величину и полярность. Результирующая ЭДС в секции якоря получается от сложения ЭДС от постоянных магнитов и ЭДС от обмотки возбуждения, т. е. при помощи обмотки возбуждения ее можно регулировать под требуемые обороты. Вращающийся
внешний индуктор через планетарный редуктор передает момент на диск колеса автомобиля.
Описание проектной системы по разработке мотор-колеса
Как было отмечено, предложенную конструкцию сложно сделать единообразной для различных транспортных средств, поэтому возникает необходимость разработки инструмента для проектирования мотор-колес подобного типа.
Проектная система должна включать в себя систему синтеза и систему анализа. Система синтеза должна определить оптимальную по выбранным критериям геометрию, а система анализа должна подтвердить, что электродвигатель с выбранной геометрией удовлетворяет требованиям технического задания.
И система анализа, и система синтеза в своей основе должны содержать математические модели, т. е. все математически описанные зависимости, определяющие выходные параметры и характеристики. Но отличия в этих математических моделях есть. Математическая модель синтеза должна быть максимально упрощена и позволять проводить многочисленные расчеты, включенные в оптимизационные циклы. Обычно они строятся на основе метода эквивалентных схем замещения. Математическая модель анализа должна быть достаточно точной и с высокой достоверностью подтверждать корректность полученных характеристик. Это связано с тем, что переделы в электромашиностроении связаны с очень большими временными, материальными и финансовыми затратами. Как правило, в основе математических моделей анализа лежат методы конечных элементов с применением сложных программных средств, требующих больших аппаратных затрат.
Для математической модели синтеза применим метод эквивалентных схем замещения. Суть метода составляют интегральные уравнения, описывающие электромагнитное состояние электрической машины на отдельно разбитых участках: воздушный зазор, шихтованный магнитопровод статора, массивный магнитопровод статора, постоянные магниты, магнитопровод индуктора. На каждом участке принимается допущение, что магнитная индукция имеет постоянную величину. Эскиз магнитной цепи электрической машины комбинированного возбуждения представлен на рис. 3.
Рис. 3. Эскиз магнитной цепи электродвигателя
В основе метода эквивалентных схем замещения лежит уравнение Арнольда, связывающее электромагнитную мощность с электромагнитными нагрузками и основными размерами [12]:
-тс2аб кь кобЛВб^2 ¿6 Гсном
Р =
Рэм
60
где Рэм - электромагнитная мощность, развиваемая двигателем, Вт; а§ - коэффициент полюсной дуги; кь - коэффициент формы поля; коб - обмоточный коэффициент; А - Линейная нагрузка, А/м; В§ - индукция в воздушном зазоре, Тл; Б - диаметр расточки якоря, м; -активная длина пакета якоря, м; пном - частота вращения, об/мин.
Привести все алгебраические уравнения, представляющие математическую модель синтеза, не позволяет объем статью. Покажем только блок-схему основных алгоритмических шагов модели (рис. 4).
Математическая модель составила основу системы синтеза.
Она проверена на расчете характеристик для электродвигателя мотор-колеса электроболида с номинальными параметрами 30 кВт, 72 В, 16 000 об/мин, которые представлены на рис. 5-8.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма расчета математической модели
1^0,35*10» I0
0-5*1 ов
1Л>*1ов
Ток якоря. А
Рис. 5. Зависимость частоты вращения от тока якоря при постоянном напряжении на якоре и различных токах возбуждения
1
S 33,33
м
1.0*1ов
W
166.6$ 333.33
66,66 833.33
Ток якоря, А
Рис. 7. Зависимость частоты вращения от момента при различных токах возбуждения
i >£.35*1 □в .....'Viiax
VO.5*Iob
_l0*iou ном
2000 5GM.6
Момент, Нм
Рис. 6. Зависимость момента от тока якоря при постоянном напряжении на якоре и различных токах возбуждения
I.0*Uh
Гн 0.35*Uh
10000 20000
40000 50000
Ток якоря, А
Рис. 8. Зависимость частоты вращения от тока якоря при фиксированных напряжениях на якоре
Особенность ВЭКВ заключается в том, что регулировать частоту вращения и момент на валу можно одновременно по двум каналам; по цепи якоря и по цепи возбуждения:
и -1 -Я
п =-а-~Яа, М=см1аФ5 ,
■ ф3
где и - напряжение питания якорной цепи, В; 1а - ток якоря, А; Яа -активное сопротивление обмотки якоря, Ом; се - коэффициент ЭДС; см - коэффициент ЭДС; Ф5 - магнитный поток возбуждения, Вб.
По названной причине представляют интерес зависимости для двухмерной функции. В декартовой системе координат эти
зависимости будут иметь форму поверхностей. На рис. 9 представлена поверхность зависимости момента от потока (тока возбуждения) и тока якоря.
Рис. 9. Зависимости момента от потока (тока возбуждения) и тока якоря
Второй составной частью системы синтеза является блок-оптимизатор, который производит перебор основных размеров электродвигателя и поиск их оптимальных значений. В качестве метода оптимизации выбран метод покоординатного спуска Гаусса-Зейделя для перебора переменных в сочетании с методом Фибоначчи при выборе шага. Блок-оптимизатор имеет свои особенности. Он построен по принципу многоуровневой оптимизации [13-15].
Многоуровневая оптимизация позволяет сделать систему синтеза гибкой. В зависимости от проектной ситуации она позволяет часть варьируемых переменных зафиксировать, а часть переменных включить в цикл перебора. Для проектной системы мотор-колеса, которая имеет ограниченный объем, это очень важно. В проектную систему введены следующие 7 уровней оптимизации:
- полная оптимизация, при которой перебираются все переменные;
- оптимизация при фиксированном наружном диаметре;
- оптимизация при фиксированном внутреннем диаметре:
- оптимизация при фиксированной наружной длине;
- оптимизация при фиксированном наружном и внутреннем диаметре;
- оптимизация в заданных габаритах;
- оптимизация при заданных габаритах постоянного магнита.
Данные уровни оптимизации закрывают практически все проектные ситуации, которые могут быть при проектировании мотор-колес.
В основу системы анализа положен метод конечных элементов [16-19]. Система анализа реализована в программной среде Ansys Electronics Desktop. Позволяет рассчитать электромагнитное состояние электродвигателя. Результаты анализа электромагнитного состояния двигателя представлены на рис. 10.
Рис. 10. Результаты расчета электромагнитного поля
Ниже приводятся характеристики, полученные в результате цифрового моделирования двигателя для мотор-колеса гоночного электроболида программы «Формула - студент» (рис. 11-14).
..........I .... I .... I
1.0 2.0 10 <0 Нремя. мс
Рис. 11. Расчет фазных ЭДС Рис. 12. Расчет фазных токов
Рис. 13. Расчет скорости при разгоне
Рис. 14. Диаграмма пульсаций момента при разгоне
Приведенные кривые основных параметров и характеристик близки к осциллограммам реального макетного образца ВЭКВ. Это свидетельствует о том, что созданная цифровая модель практически является цифровым двойником реальной электрической машины.
Проверка работы мотор-колеса в составе электротрансмиссии при прохождении реальной трассы
При движении транспортного средства по конкретному маршруту момент и частота вращения электродвигателя меняются в широких пределах. Перед изготовлением опытного образца представляет интерес испытание цифрового близнеца на модели цифровой трассы с реальными скоростными нагрузками. Смоделируем такую трассу, состоящую из разных участков учетом уклонов. В модели учтем статические нагрузки от потерь на трение и сопротивление воздуха, а также и динамические нагрузки при разгоне и торможении. В модели будем задавать режим движения как среднюю скорость на участке.
В модели учтем управление электродвигателем комбинированного возбуждения по цепи якоря и по цепи обмотки возбуждения. В алгоритме учтена возможность введения токоограничения в цепь якоря. Алгоритм такого управления представлен на рис. 15. В алгоритме учтена возможность введения токоограничения в цепь якоря.
Цифровая модель трассы и движения транспортного средства по ней реализованы в программной среде Delphi. В память трассы можно заложить до 60 участков (рис. 16). На участке можно указать уклон как в гору, так и с горы. Трение и лобовое сопротивление учитываются ко-
эффициентами и в зависимости от скорости. При определении динамических нагрузок учитываются ускорение автомобиля, моменты инерции вращающихся частей. Все моменты через редуктор пересчитыва-ются к валу элеткродвигателя.
Начало +
Задание параметров трассы
$ -
Задание параметров автомобиля
I
Задание параметров электродеигателя
V- - _ _
г ч
Определение начальной скорости, ускорения, моментов сопротивления, динамических моментов
Определение ЭДС: тока якоря
Уточнение моментов, скорости, ускорения
Расчет потерь, КПД, емкости АКБ
Расчет нагрева электродвигателя
Конец
Рис. 15. Алгоритм управления электротрансмиссией по цепи якоря и по цепи возбуждения
Рис. 16. Гоночная трасса соревнования для электроболидв
При движении транспортного средства по трассе фиксируются и выводятся в виде осциллограмм 15 параметров. Среди них токи якоря и обмотки возбуждения, момент на валу, обороты, потери, температура, расход АКБ с учетом рекуперации. Осциллограммы представлены на рис. 17.
Рис. 17. Цифровые осциллограммы параметров электротрансмиссии при движении мотор-колеса по гоночной трассе «Формула 1»
Цифровые испытания показывают, что электротрансмиссия и система управления справляются с нагрузками трассы. Косвенным показателем этого является температура двигателя, которая не выходит за пределы допустимой нормы по классу нагревостойкости изоляции. Результаты тестирования позволяют перейти к следующему этапу -изготовлению и испытанию опытного образца.
Разработка конструкции. Изготовление и испытание опытного образца
Созданная проектная система снимает много технических рисков, но далеко не все. В конце проекта должен быть изготовлен и испытан опытный образец. Эти испытания должны дать ответы на вопрос о возможности собираемости конструкции, о реальности расчетных параметров, о надежности и энергоэффективности проектного варианта.
Проектная система создана для разработки ряда электротрансмиссий для транспортных средств различного назначения [20-25]. Для проверки ее работоспособности и эффективности был выбран проект создания гоночного электроболида для международных студенческих соревнований «Формула-студент».
Конструкция мотор-колеса для электроболида в формате трехмерной твердотельной модели представлена на рис. 18.
Рис. 18. Трехмерные твердотельные модели мотор-колеса
По данной модели был изготовлен опытный образец и проведены его испытания. Специально для испытаний был изготовлен электронный коммутатор, реализующий 120-градусную дискретную коммутацию (рис. 19).
Рис. 19. Лабораторные испытания мотор-колеса с электронным коммутатором
В связи с отсутствием нагрузочного моментомера электродвигатель был испытан в дух режимах: холостого хода и короткого замыкания. По этим двум точкам была построена механическая характеристика, так как при неизменном потоке она представляет собой прямую линию. Отклонение экспериментальной характеристики от расчетной не превысило 9-12 %, что вполне приемлемо с учетом применяемых по классу точности измерительных средств.
Обсуждение результатов
Разработанная проектная система предназначена для создания ряда мотор-колес для транспортных средств различного назначения. Она представляет собой объединенную в один комплекс систему синтеза и систему анализа. Система синтеза построена по принципу многоуровневой оптимизации и позволяет проектировать изделия при различных проектных ситуациях. Это придает системе гибкость. Система анализа построена с применением метода конечных элементов по принципу цифрового двойника. Она комплексно решает задачу анализа - связанную задачу расчета электромагнитного поля, теплового поля, поля гидравлических решений, поля механических напряжений. Цифровое тестирование доведено до уровня, когда можно испытать созданную электротрансмиссию на конкретной трассе. Созданная сис-
тема имеет открытую структуру, позволяющую проводить корректировку и замену ее основных блоков. Это касается как системы синтеза, так и системы анализа.
Данное научное исследование является продолжением развития теории вентильных машин комбинированного возбуждения в части расчета магнитной системы, методов оптимизации, методов анализа электромагнитного и теплового состояния, которые основаны на решении связанной задачи, методов анализа, рассчитанных на сквозное проектирование. Научную новизну представляют:
- математическая модель синтеза вентильного электродвигателя комбинированного возбуждения;
- метод многоуровневой оптимизации;
- математическая модель анализа вентильного двигателя комбинированного возбуждения;
- алгоритм управления вентильным электродвигателем комбинированного возбуждения;
- проектная система по разработке вентильного двигателя комбинированного возбуждения.
В настоящий момент проектная система находится в режиме апробации для проектирования конкретных мотор-колес.
Заключение
Подводя итог проведенным исследованиям, можно сделать следующие основные выводы. Одним из наиболее перспективных вариантов при разработке электротрансмиссий на базе мотор-колес является вентильный электродвигатель комбинированного возбуждения. Основным преимуществом его для этого применения являются уменьшенные габариты за счет использования высококоэрцитивных постоянных магнитов и возможность регулирования частоты вращения и момента на валу по двум каналам: цепи якоря и цепи возбуждения. Для реализации этого перспективного варианта создана проектная система, позволяющая проектировать мотор-колеса для транспортных средств различного назначения. Проектная система состоит из системы синтеза и системы анализа. Система синтеза позволяет определить оптимальную геометрию для различных проектных ситуаций, а система анализа сокращает технические риски, позволяя детально исследовать цифровой двойник. Перспективой развития системы является сквозная технология.
К настоящему времени достоверность и работоспособность проектной системы проверены на проекте создания электротрансмиссии для гоночного электроболида по программе «Формула-студент».
Библиографический список
1. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. - Петрозаводск: Скандинавия, 2003.
2. Введение в ТРИЗ. Основные понятия и подходы [Электронный ресурс] (офиц. издание фонда Г.С. Альтшуллера). - URL: https://altshuller.ru/
3. Альтшуллер Г.С., Селюцкий А.Б. Крылья для Икара: как решать изобретательские задачи. - Петрозаводск: Карелия, 1980.
4. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. - М.: Московский рабочий, 1973.
5. Альтшуллер Г.С. АРИЗ - значит победа // Правила игры без правил / сост. А.Б. Селюцкий. - Петрозаводск: Карелия, 1989.
6. Samiee L., Gandzha S. Power to methanol technologies via CO2 recovery: CO2 hydrogenation and electrocatalytic routes // Reviews in Chemical Engineering. - 2019. DOI: 10.1515/revce-2019-0012
7. Мотор - колесо транспортного средства: пат. на полезную модель 66283 Рос. Федерация, МПК B60K 7/00, 17/04, 17/14 / Глазков Е.В., Курочкин А.Г.; заяв. и патентообл. ОАО «Ульяновский автомобильный завод». - № 2007115825/22; заявл. 25.04.2007; опубл. 10.09.2007.
8. Мотор - колесо транспортного средства: пат. на полезную модель 109052 Рос. Федерация, МПК B60K 7/00 / Буянов С.Н., Денисов В.М, Шальнев А.П., Яцков В.П.; заяв. и патентообл. ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева». -№ 2011114071/11; заявл. 11.04.2011; опубл. 10.10.2011.
9. Асинхронизированный синхронный генератор: пат. на полезную модель 66635 Рос. Федерация, МПК H 02 Р 9/00 / Ганджа С.А. -№ 2007112437/22; заявл. 03.04.2007; опубл. 10.09.2007, приоритет 03.04.2007.
10. Мотор-редуктор: пат. на полезную модель 56524 Рос. Федерация, МПК F 16 H1/00 / Ганджа С.А., Федоров В.Б., Кулешов В.В., Смирнов В.А. - № 2006115854/22; заявл. 11.05.2006; опубл. 10.09.2006.
11. Генератор переменного тока: пат. Рос. Федерация 2244996. H 02 K 19/16, 1/06 / Ганджа С.А., Соломин Е.В., Шауфлер А.Д., заяв. 2003124088/09, 31.07.2003; опубл. 20.01.2005.
12. Копылов И.П. Электрические машины. - 5-е изд. - М.: Высшая школа, 2006. - 607 с.
13. Ганджа С.А., Свиридов М.С., Бедекер А.А. Применение программного комплекса Ansys для анализа вентильных электрических машин постоянного тока с аксиальным зазором // Сб. трудов Шестой конф. пользователей программ. обеспеч. CAD_FEM GmbH (20-21 апреля 2006 г.). - М., 2006. - С. 361-363.
14. Ганджа С.А. Разработка программного комплекса многоуровневой оптимизации вентильных машин с аксиальным зазором // ЭЛМАШ-2009: Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы: тр. симпозиума: в 2 т. / VII Междунар. науч.-техн. конф.; Москва, 22-25 сентября 2009 г. - М., 2009. - Т. 1. - C. 164-167.
15. Ганджа С.А. Разработка системы автоматизированного проектирования вентильных машин с аксиальным зазором // XXV Рос. школа «Итоги диссертационных исследований»: сб. науч. тр. / Рос. акад. наук. - М., 2005. - С. 378-385.
16. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Комплексная автоматизированная система исследования двигателей постоянного тока // Электротехника. - 1995. - № 4. - С. 21-24.
17. Казаков Ю.Б. Тихонов А.И. САПР машин постоянного тока на основе декларативных знаний с динамически формируемым алгоритмом расчета // Электротехника. - 1997. - № 4. - С. 30-32.
18. Казаков Ю.Б., Мостейкис В.С., Тихонов А.И. Конечно-элементное исследование магнитных систем машин постоянного тока с неявновыраженными полюсами // Автоматизированный анализ физических процессов и проектирование в электромеханике: межвуз. сб. науч. тр. / Иван. гос. энергет. ун-т. - Иваново, 1990. - С. 33-37.
19. Казаков Ю.Б., Тихонов А.И. Оптимизационный конечно-элементный поиск эффективных конструкций машин постоянного тока // Моделирование и исследование устройств электромеханики: межвуз. c6. науч. трудов / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2001. - С. 43-47.
20. Разработка колесно-ступичного узла гоночного электроболида класса Formula Student / Н.В. Пахомеев, А.В. Лопухов, И.А. Чуйдук,
Г.Н. Салимоненко // Материалы междунар. науч.-практ. конф. Института агроинженерии. - Челябинск, 2019. - С. 140-147.
21. Gandzha S., Chuyduk I., Nazarov M. Development of a motor-wheel based on a brushless machine of combined excitation for hybrid and electric transport // Proceedings - 2021. International Ural Conference on Electrical Power Engineering, UralCon. - September 2021. DOI: 10.1109/UralCon52005.2021.9559479
22. Design of a combined magnetic and gas dynamic bearing for high-speed micro-gas turbine power plants with an axial gap brushless generator / S. Gandzha, N. Neustroev, I. Chuyduk, S. Shabiev // Processes «Nonlinear Electromechanical Systems». - May 2022. DOI: doi.org/10.3390/pr10061067
23. Kotov A., Neustroev N., Chuyduk I. Mathematical modeling asynchronized synchronous wind turbine generator on the basis of generalized variables with the purpose of main machine geometrical parameters optimization // Proceedings - 2020. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM. - May 2020. -№ 9111967. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111967
24. Neustroev N., Kotov A., Chuyduk I. Starter generator design development for modern micro gas turbine plant // Proceedings - 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM. - May 2020. - № 9111922. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111922
25. Neustroev N., Gandzha S., Chuyduk I. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnetic Armature // Proceedings - 2020. Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research and Practice, PEAMI. - September 2020. - № 9234313. DOI: 10.1109/PEAMI49900.2020.9234313
References
1. Al'tshuller G.S. Naiti ideiu. Vvedenie v teoriiu resheniia izobretatel'skikh zadach [Find an idea. Introduction to the theory of solving inventive problems]. Petrozavodsk: Skandinaviia, 2003.
2. Vvedenie v TRIZ. Osnovnye poniatiia i podkhody [Introduction to TRIZ. Basic Concepts and approaches]. (ofitsial'noe izdanie fonda G.S. Al'tshullera), available at: https://altshuller.ru/
3. Al'tshuller G.S., Seliutskii A.B. Kryl'ia dlia Ikara: kak reshat' izobretatel'skie zadachi [Wings for Icarus: How to solve inventive problems]. Petrozavodsk: Kareliia, 1980.
4. Al'tshuller G.S. Algoritm izobreteniia [Algorithm of invention]. Moscow: Moskovskii rabochii, 1973.
5. Al'tshuller G.S. ARIZ - znachit pobeda [ARIZ means victory]. Pravila igry bezpravil. Petrozavodsk: Kareliia, 1989.
6. Samiee L., Gandzha S. Power to methanol technologies via CO2 recovery: CO2 hydrogenation and electrocatalytic routes. Reviews in Chemical Engineering, 2019. DOI: 10.1515/revce-2019-0012
7. Glazkov E.V., Kurochkin A.G. Motor - koleso transportnogo sredstva [Motor - wheel of a vehicle]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2007115825/22 (2007).
8. Buianov S.N., Denisov V.M, Shal'nev A.P., Iatskov VP. Motor -koleso transportnogo sredstva [Motor - wheel of the vehicle]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2011114071/11 (2011).
9. Gandzha S.A. Asinkhronizirovannyi sinkhronnyi generator [Asynchronous synchronous generator]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2007112437/22 (2007).
10. Gandzha S.A., Fedorov V.B., Kuleshov V.V., Smirnov V.A. Mo-tor-reduktor [Gear motor]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2006115854/22 (2006).
11. Gandzha S.A., Solomin E.V., Shaufler A.D. Generator peremennogo toka [Alternator]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2003124088/09 (2003).
12. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny [Electric machines]. 5nd ed. Moscow: Vysshaia shkola, 2006, 607 p.
13. Gandzha S.A., Sviridov M.S., Bedeker A.A. Primenenie programmnogo kompleksa Ansys dlia analiza ventil'nykh elektricheskikh mashin postoiannogo toka s aksial'nym zazorom [Application of the Ansys software package for the analysis of DC valve electric machines with axial clearance]. Sbornik trudov Shestoi konferentsii pol'zovatelei programmnogo obespecheniia. CAD FEM GmbH (20-21 April 2006). Moscow, 2006, pp. 361-363.
14. Gandzha S.A. Razrabotka programmnogo kompleksa mnogourovnevoi optimizatsii ventil'nykh mashin s aksial'nym zazorom [Development of a software package for multilevel optimization of valve
machines with axial clearance]. ELMASh-2009: Elektroenergetika i elektrotekhnika. Problemy i perspektivy. Trudy simpoziuma VII Mezhdu-narodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, Moscow, 22-25 September 2009. Moscow, 2009, vol. 1, pp. 164-167.
15. Gandzha S.A. Razrabotka sistemy avtomatizirovannogo proektirovaniia ventil'nykh mashin s aksial'nym zazorom [Development of a computer-aided design system for valve machines with axial clearance]. XXV Rossiiskaia shkola "Itogi dissertatsionnykh issledovanii". Sbornik nauchnykh trudov. Moscow: Rossiiskaia akademiia nauk, 2005, pp. 378-385.
16. Kazakov Iu.B., Tikhonov A.I. Kompleksnaia avtomatizirovannaia sistema issledovaniia dvigatelei postoiannogo toka [Complex automated system for the study of DC motors]. Elektrotekhnika, 1995, no. 4, pp. 21-24.
17. Kazakov Iu.B. Tikhonov A.I. SAPR mashin postoiannogo toka na osnove deklarativnykh znanii s dinamicheski formiruemym algoritmom rascheta [CAD of DC machines based on declarative knowledge with a dynamically generated calculation algorithm]. Elektrotekhnika, 1997, no. 4, pp. 30-32.
18. Kazakov Iu.B., Mosteikis V.S., Tikhonov A.I. Konechno-elementnoe issledovanie magnitnykh sistem mashin postoiannogo toka s neiavnovyrazhennymi poliusami [Finite element research of magnetic systems of direct current machines with non-expressed poles]. Avtomatizirovannyi analiz fizicheskikh protsessov i proektirovanie v elektromekhanike. Mezhvuzovskii sbornik nauchnykh trudov. Ivanovo: Ivanovskii gosudarstvennyi energeticheskii universitet, 1990, pp. 33-37.
19. Kazakov Iu.B., Tikhonov A.I. Optimizatsionnyi konechno-ele-mentnyi poisk effektivnykh konstruktsii mashin postoiannogo toka [Optimization finite element search for effective designs of DC machines]. Modelirovanie i issledovanie ustroistv elektromekhaniki. Mezhvuzovskii cbornik nauchnykh trudov. Ivanovo: Ivanovskii gosudarstvennyi energeticheskii universitet, 2001, pp. 43-47.
20. Pakhomeev N.V., Lopukhov A.V., Chuiduk I.A., Salimonenko G.N. Razrabotka kolesno-stupichnogo uzla gonochnogo elektrobolida klassa Formula Student [Development of a wheel-hub assembly of a racing electric car of the Formula Student class]. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii Instituta agroinzhenerii. Cheliabinsk, 2019, pp. 140-147.
21. Gandzha S., Chuyduk I., Nazarov M. Development of a motor-wheel based on a brushless machine of combined excitation for hybrid and electric transport. Proceedings - 2021. International Ural Conference on Electrical Power Engineering, UralCon. September 2021. DOI: 10.1109/UralCon52005.2021.9559479
22. Gandzha S., Neustroev N., Chuyduk I., Shabiev S. Design of a combined magnetic and gas dynamic bearing for high-speed micro-gas turbine power plants with an axial gap brushless generator. Processes "Nonlinear Electromechanical Systems". May 2022. DOI: doi.org/10.3390/pr10061067
23. Kotov A., Neustroev N., Chuyduk I. Mathematical modeling asynchronized synchronous wind turbine generator on the basis of generalized variables with the purpose of main machine geometrical parameters optimization. Proceedings - 2020. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM. May 2020, no. 9111967. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111967
24. Neustroev N., Kotov A., Chuyduk I. Starter generator design development for modern micro gas turbine plant. Proceedings - 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM. May 2020, no. 9111922. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111922
25. Neustroev N., Gandzha S., Chuyduk I. Passive Magnet Bearing Development for Axial Flux Permanent Magnet Generator with Diamagnet-ic Armature. Proceedings - 2020. Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research and Practice, PEAMI. September 2020, no. 9234313. DOI: 10.1109/PEAMI49900.2020.9234313
Сведения об авторах
Чуйдук Иван Александрович (Челябинск, Россия) - аспирант кафедры «Электропривод, мехатроника и электромеханика» ЮжноУральского государственного университета, e-mail: [email protected]
Ганджа Дмитрий Сергеевич (Москва, Россия) - соискатель Южно-Уральского государственного университета, руководитель отдела маркетинга АО «Гардтекс», e-mail: [email protected]
About the authors
Ivan A. Chuiduk (Chelyabinsk, Russian Federation) - Graduate Student of the Department of Electric Drive, Mechatronics and Electromechanics of the South Ural State University, e-mail: [email protected]
Dmitry S. Gandzha (Moscow, Russian Federation) - Candidate of the South Ural State University, Head of the Marketing Department of JSC "Gardtex", e-mail: [email protected]
Поступила: 27.02.2023. Одобрена: 16.03.2023. Принята к публикации: 01.04.2023.
Финансирование проекта. Проект поддержан грантом ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям). Договор №16559ГУ/2021 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских работ и оценку перспектив коммерческого использования результатов в рамках реализации инновационного проекта от 01.06.2021.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Чуйдук, И.А. Мотор-колесо на базе вентильного электродвигателя комбинированного возбуждения лучшее решение для гибридного и электротранспорта / И.А. Чуйдук, Д.С. Ганджа // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2023. - № 45. - С. 80-106. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.1.04
Please cite this article in English as:
Chuiduk I.A., Gandzha D.S. The motor-wheel based on a brushless electric motor of combined excitation is the best solution for hybrid and electric vehicles. Perm National Research Polytechnic University Bulletin. Electrotechnics, information technologies, control systems, 2023, no. 45, pp. 80-106. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.1.04
