CC BY
8
© Т.И. Петров, А.Р. Сафин УДК 621.313.323
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СТЕНДА ДЛЯ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РОТОРА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Т.И. Петров, А.Р. Сафин
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914, tobac15@mail.ru
Резюме: Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) находят все большее применение в различных приводных технических комплексах. Для каждого приводного комплекса необходимо выполнение требований по развиваемому крутящему моменту, условиям охлаждения и прочностным характеристикам. Синхронные двигатели энергоэффективнее, чем асинхронные двигатели, однако они имеют большую стоимость, в том числе из-за высокой стоимости ПМ. Необходимо уменьшить используемый объем ПМ, при этом сохранив высокое значение энергоэффективности, или увеличить его. Для решения данной задачи возможно использование топологической оптимизации, в нашем случае, переход от стандартных положений магнитов (поверхностное или внутренне расположение) к новым топологиям роторов СДПМ. ЦЕЛЬ. Для подтверждения эффективности комплексной топологической оптимизации, необходимо измерить значения вращающего момента и частоту вращения для исходного и модернизированного СДПМ, что можно сделать при помощи созданного стенда. МЕТОДЫ. Представлены методы, используемые при разработке и реализации стенда, которые позволяют измерить вращающий момент и частоту вращения. РЕЗУЛЬТАТЫ. Исходя из результатов экспериментов, можно утверждать о сохранении вращающего момента при наличии нагрузки у модернизированного СДПМ. Отличия значений среднеквадратичного момента составляет меньше 5%, при уменьшении объема ПМ на 32,9%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В статье представлены принципы построения стенда, проведения экспериментов и анализ полученных результатов.
Ключевые слова: стенд; постоянные магниты; вращающий момент; частота вращения; синхронный двигатель; ротор.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-37-90134.
DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF A STAND TO CONFIRM THE EFFICIENCY OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF THE ROTOR OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS
TI. Petrov, AR. Safin
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914, tobac15@mail.ru
Abstract: Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are increasingly used in various drive engineering systems. For each drive complex, it is necessary to fulfill the requirements for the developed torque, cooling conditions and strength characteristics. Synchronous motors are more energy efficient than induction motors, but they are more expensive, including due to the high cost of PM. It is necessary to reduce the used volume of PM, while maintaining a high value of energy efficiency, or to increase it. To solve this problem, it is possible to use topological optimization, in our case, the transition from the standard positions of the magnets (surface or internal location) to the new topologies of the PMSM rotors. THE PURPOSE. To confirm the effectiveness of complex topological optimization, it is necessary to measure the values of the torque and rotation frequency for the original and modernized PMSM, which can be done using the created stand. METHODS. Methods used in the development and implementation of the stand, which allow measuring the torque and rotation frequency, are presented. RESULTS. Based on the results of the experiments, it can be argued that the
modernized PMSM retains the torque in the presence of a load. The difference in the values of the root-mean-square moment is less than 5%, with a decrease in the PM volume by 32.9%. CONCLUSION. The article presents the principles of building a stand, conducting experiments and analyzing the results obtained.
Keywords: stand; permanent magnets; torque; rotation frequency; synchronous motor; rotor. Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 19-37-90134.
Введение
С учетом тренда на энергоэффективность, использование более экономичных СДПМ становится все более актуальным. Однако, у СДПМ есть и очевидные недостатки, основным которым является высокая базовая стоимость двигателя. Дорогим элементом конструкции двигателя являются постоянные магниты (ПМ) (неодим, кобальт, никель и т.д.), и один из вариантов возможности уменьшить объем ПМ - комплексная топологическая оптимизация конструкции СДПМ. Топологической оптимизацией можно назвать метод изменения конструкции (распределение материала в структуре) для увеличения определенного параметра при сохранении объема материалов. Комплексная топологическая оптимизация СДПМ будет заключаться в изменении конструкции ротора с целью повышения вращающего момента, при сохранении (или уменьшения) объема ПМ, тепловых и прочностных параметров [1-4].
На сегодняшний день, топологическую оптимизацию используют для сохранения прочностных параметров конструкции при уменьшении массы при использовании метода конечных элементов [5, 6].
Предлагаемый метод позволяет перенести топологическую оптимизацию на электромагнитные и тепловые процессы в СДПМ с целью повышения энергетических характеристик и надежности электрической машины при заданных массо-габаритных показателях [7, 8].
На данный момент отсутствуют работы по комплексной топологической оптимизация роторов синхронных электрических машин с постоянными магнитами [9, 10].
Для подтверждения практической реализации топологической оптимизации для СДПМ необходимо решить следующие задачи:
1. Проверить работоспособность обоих двигателей BM1418 ZXF, определить параметры тока.
2. Модернизировать один из двигателей BM1418 ZXF по результатам топологической оптимизации.
3. Проверить работоспособность модернизированного двигателя BM1418 ZXF, определить параметры тока.
4. Разработать и создать экспериментальный стенд для измерений вращающего момента с возможностью задания нагрузки.
5. Проведение экспериментов для обоих двигателей BM1418 ZXF.
6. Анализ полученной информации и получение экспериментального подтверждения (опровержения) эффективности топологической оптимизации.
Проверка работоспособности исходного и модернизированного двигателя
Для подтверждения работоспособности двигателей BM1418 ZXF и определения параметров тока необходимо использовать систему питания, в которую входит контроллер для управления СДПМ и система питания Flatpackl (рис. 1).
Рис. 1. Схема системы питания Fig. 1. Power system diagram
Контроллер для управления двигателем питается от источника постоянного тока 48В (обычно от АКБ), сам двигатель питается от трёхфазного переменного тока [11].
Первостепенная задача этого элемента - подавать на электромотор энергию, получаемую от аккумуляторной батареи. Ток, который проходит по обмоткам в статоре, создает магнитное поле, взаимодействующее с ПМ ротора СД, и таким образом двигатель начинает вращаться. Контроллер также регулирует частоту вращения.
110
Для управления СДПМ необходима ручка газа, которая используется для управления СДПМ. К данной ручке подводится напряжение 5 В, в корпусе находятся датчики Холла. При изменении поворота ручки газа, т.е. изменения расположения магнита по отношению к датчику, выдается значение напряжение (0-4,8 В). И в контроллере на основании данного значения происходит изменении скорости и момента, или включение/отключение питания [12].
Контроллер выполняет следующие функции:
- регулирование скорости вращения ротора СДПМ,
- защита СДПМ от токовой перегрузки (отключение двигателя при превышении температуры, которое контролируется термодатчиком,
- управление значением крутящего момента,
- возможность плавного торможения, в случае, когда импульсы резко изменяют продолжительность,
- защита источника питания от перенапряжений (происходит проверка значения U АКБ, и при ненормированном значении отключает СДПМ).
Контроллер питается от постоянного напряжения, следовательно, необходим источник питания. В нашем случае это система питания БШраск 2, компания БЫвк. Основными элементам данной системы являются выпрямители и блок управления БтаНраск [13].
Подтверждением работы двигателей будет вращение вала двигателей и наличие значения тока, отличающегося от 0 А, данное значение будет отображаться на дисплее БШраск 2.
Оба изначальных двигателя были проверены, вращение вала присутствовало, значения тока на максимальном моменте составляло 2А.
Теперь перейдем к модернизации двигателя. Новая топология ротора СДПМ была получена в ходе топологической оптимизации. Для создания нового ротора были изготовлены заготовки из листов электротехнической стали в количестве 48 штук, с целью создания точной толщины ротора.
Далее необходимо было установить ПМ в определенном расположении. Магниты были выбраны неодимовые магниты в виде пластин 20х8х3 мм., N35. Высота магнитов была меньше рассчитанной, но из существующих решений это был наиболее оптимальный вариант.
Следовательно, уже произошло отклонение от точного изготовления ротора по результатам топологической оптимизации, однако если мы получим сохранение момента при более высоком снижении объема ПМ, то это тоже можно считать практическим подтверждением.
В исходном СДПМ магниты (10 штук) можно представить в виде двух трапеций с площадью 53,16 мм2, высота магнитов составляет 24 мм, и объем ПМ составит 12758,4 мм3.
Для модернизированного СДПМ магниты (20 штук) в виде простых прямоугольников со сторонами 8 и 3 мм, высота магнитов составляет 20 мм, и объем ПМ составит 9600 мм3. Снижение объема ПМ составило 32,9 %.
Заготовки были отпрессованы с установкой постоянных магнитов, с чередованием полярности. Изготовленный ротор был посажен на старый вал двигателя (рис. 2) и собран в двигатель.
Данный двигатель был также проверен, вращение вала присутствовало, значения тока на максимальном моменте составляло 2А.
Рис. 2. Модернизированный ротор СДПМ Fig. 2. UpgradedPMSMrotor
Разработка и создание экспериментального стенда для измерений вращающего момента
Целью создания стенда является определение изменения вращающего момента и частоты вращения для стандартного двигателя и модернизированного.
Стенд должен выполнять следующие задачи:
1. Проверка работоспособности синхронного двигателя с постоянными магнитами.
2. Измерение тока.
3. Измерение вращающего момента [14].
4. Наличие и возможность изменения нагрузки.
Структурная схема стенда представлена на рисунке 3, где можно выделить четыре основных блока:
- Система питания;
- Испытуемый двигатель;
- Система измерений Zetlab (из 2х подсистем);
- Программный комплекс.
Рис. 3. Структурная схема стенда Fig. 3. Structural diagram of the stand
Измеряющим компонентом стенда считаются тензорезисторы, которые формируют тензометрические мостовые схемы.
Тензорезисторы — датчики, устанавливаемые с целью замера напряжения в металлических конструкциях, по сути своей, стандартный проводник определенной формы, который должен быть закреплен непосредственно на валу двигателя. И так как нам известно исходное сопротивление резистора в стандартном состоянии, то деформацию вала можно вычислить по изменению значения сопротивления [15].
В нашем случае используются тензорезисторы серии 2ФКП-400, которые состоят из следующих элементов: чувствительный элемент, подложка и 2 вывода. Тензодатчики 2ФКП — фольговая решетка из константана константана, одноосевые датчики с медными выводами.
Для сопротивлений Л1, Я2, Я3 как правило применяется аналогичные резисторы, которые используются для измерений, однако, установленные на валу в поперечном направлении, которое не подвержено деформации. Главная причина использования данных резисторов - большое значение температурного коэффициента тензодатчика.
Для стенда была выбрана полумостовая схема с 3-х проводной схемой подключения тензорезисторов, основаниями для этого послужило наименьшее количество тензорезисторов и проводов, что важно при ограниченной площади вала рассматриваемого двигателя.
Тензорезисторы подключаются к цифровому тензодатчику ZET711.
Тензодатчики ZET711 необходимы для определения значений веса, деформации, вращающего момента и т.п.
Данные с датчиков 2БТ 7110 передаются в преобразователи интерфейса ZET 7172-М и ZET 7172-5 предназначены для организации беспроводного доступа к фрагменту измерительной линии с использованием радиоканала.
Конвертер интерфейса ZET 7172-5 оборудован интегрированным преобразователем-трехосевым акселерометром, что дает возможность использовать преобразователи
интерфейса ZET 7172-М, а также ZET 7172-5 с целью замера вибраций, не используя подсоединения наружных преобразователей и также дает возможность измерять частоту вращения.
Данные с цифрового тензодатчика также передаются в автономный регистратор ZET 7173, предназначенный для записи данных, поступающих от цифровых датчиков.
Последний элемент динамической части ZET (рис. 4) - соединитель ZET 7001, который запитывает систему от АКБ.
Рис. 4. Динамическая часть Zet Fig. 4. Dynamic part of Zet
Статичная часть ZET (рис. 5) начинается с уже описанного ZET 7172-M, который по радиоканалу принимает сигналы от динамичной части.
Преобразователи интерфейса ZET 7176 предназначены для подключения измерительных сетей на базе цифровых датчиков с интерфейсом CAN к компьютеру по сети Ethernet.
Рис. 5. Статическая часть Zet Fig. 5. The static part of the Ze
Таким образом, стенд (рис. 6) выполняет следующие задачи: проверка работоспособности синхронного двигателя с постоянными магнитами; измерение тока; измерение вращающего момента; наличие и возможность изменения нагрузки.
Рис. 6. Стенд для измерения вращающего Fig. 6. Stand for measuring torque and speed момента и частоты вращения
Проведение экспериментов
Для начала проведения экспериментов необходимо настроить конфигурацию всех элементов ZET.
Для проведения измерений необходимо:
1. Запустить программное обеспечение «Измерение крутящего момента». На вкладке «Настройки» заполнить параметры измерений. На вкладке «Измерение крутящего момента» выбрать каналы для измерения крутящего момента и частоты вращения вала.
2. Убедиться, что значение индикатора «U» находится в диапазоне ±2 мВ/В. Если значение индикатора превышает границы диапазона ±2 мВ/В следует произвести диагностику работоспособности тензомоста.
3. Обнулить значения индикатора «AU, мВ/В» нажатием на кнопку «Сброс в 0».
4. Для начала измерений нажать кнопку «СТАРТ» (рис. 7)
Рис. 7. Проведение измерений крутящего Fig. 7. Making Torque Measurements момента
Для проведения экспериментов стенд для уменьшения вибрации дополнительно закреплен, к концу дополнительного вала установлен специальный элемент, который позволяет посредством трения изменять нагрузку на вал.
Анализ экспериментальных данных
Эксперименты проводились для двигателей поочередно, с различными нагрузками, анализировались полученные значения момента, и для точного расчета использовались среднеквадратичные значения.
Результаты обрабатывались на ПК с использованием специализированного программного обеспечения.
Сравнение двигателей проводилось на одинаковых значениях линейной скорости, и соответственно, частоты вращения, что делает сравнение значений вращающего момента достоверным (рис. 8). Все результаты экспериментов представлены в таблице 1.
Модернизированный СДПМ
б 5
? 4 х
£ з 9
1 г 1
о
6 5
О
1 2 3 л 5 б 7 8 9 ID 13 12 13 la 15 16 17 18 19 20 21 l'ljK'.Viii, с
Рис. 8. Графики изменения момента при 192 и Fig. 8. Torque graphs at 192 and 191 rpm 191 об/мин
Исходя из результатов экспериментов, можно утверждать о сохранении вращающего момента при наличии нагрузки у модернизированного СДПМ (рис. 8). Отличия значений среднеквадратичного момента составляют для опыта 1 - 3,53%, для 2 - 3,86%, для 3 - 3,9%, для 4 - 3,24%.
Отличия значений среднеквадратичного момента составляет меньше 5%, при уменьшении объема ПМ на 32,9%.
Таблица 1
Сравнение исходного двигателя и модернизированного СДПМ
Исходный СДПМ Модернизированный СДПМ
Мср.кв., н*М М ^-•-макс? н*М ^ср.кв., об/мин ^макс., об/мин Мср.кв., н*М М ^-•-макс? н*М ^ср.кв., об/мин ^макс., об/мин
Опыт №1 (без нагр.) 1,09 1,79 97,22 106,5 1,13 2,42 87,15 96
Опыт №2 (с нагр.) 1,74 2,49 86,5 96 1,81 2,82 91,5 94,8
Опыт №3 (без нагр.) 3,18 4,38 184,84 198 3,31 3,55 190,8 192,4
Опыт №4 (с нагр.) 3,88 5,81 192 198 4,01 4,99 191 192
Выводы
1. Составлен план для подтверждения практической реализации топологической оптимизации для СДПМ.
2. Проведена проверка работоспособности двигателей. Оба работают от источника питания ГШраск,2 и контроллера питания, при изменении напряжения от ручки газа изменяется и частота вращения.
3. Произведена модернизация СДПМ по результатам топологической оптимизации, однако из-за производственных трудностей произошло отклонение от точного изготовления ротора по результатам топологической оптимизации.
4. Разработан и собран стенд для определения изменения вращающего момента и частоты вращения из 4 основных блоков: система питания; испытуемый двигатель; система измерений Zetlab (из 2х подсистем); программный комплекс.
5. По результатам экспериментов, можно утверждать о сохранении вращающего момента при наличии нагрузки у модернизированного СДПМ.
Отличия значений среднеквадратичного момента составляет меньше 5%, при уменьшении объема ПМ на 32,9%.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Время, с
Исходный СДПМ
Литература
1. Сафин А.Р., Хуснутдинов Р.Р., Копылов А.М., и др. Разработка метода топологической оптимизации электрических машин на основе генетического алгоритма // Вестник КГЭУ. 2019. № 4(40). С. 77-85.
2. Sato T., Watanabe K. and Igarashi H. Multimaterial Topology Optimization of Electric Machines Based on Normalized Gaussian Network. in IEEE Transactions on Magnetics. 2015. V. 51. N. 3, pp. 1-4.
3. Insinga A.R., Bjork R., Smith A. and Bahl C. R. H. Optimally Segmented Permanent Magnet Structures. Magnetics IEEE Transaction. 2016. V. 52. N.12. pp. 1-6, 2016.
4. Ho SL., Yang Sh., Bai Ya. A Fast Methodology for Topology Optimizations of Electromagnetic Devices. Magnetics IEEE Transactions. 2017. V. 53. N. 6. pp. 1-4.
5. Грачева Е.И., Садыков Р.Р., Хуснутдинов Р.Р., и др. Исследование параметров надежности низковольтных коммутационных аппаратов по эксплуатационным данным промышленных предприятий // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2019. №1-2.
6. Iles-Klumpner D., Risticevic M., Serban I. Topology Optimization of an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Using a Coupled Finite Elements Genetic Algorithms Technique. Electromagnetic Field Computation 2006 12th Biennial IEEE Conference. 2006. pp. 501-501.
7. Ishikawa T., Kyoichi Nakayama K., Kurita N. Optimization of Rotor Topology in PM Synchronous Motors by Genetic Algorithm Considering Cluster of Materials and Cleaning Procedure. Magnetics IEEE Transactions. 2014. V. 50. N. 2. pp. 637-640.
8. Shenoy K.L., Kumar M.S. Design topology and electromagnetic field analysis of Permanent Magnet Brushless DC motor for electric scooter application (2016) International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques, ICEEOT 2016, pp. 15411545.
9. Jeong-Min Jo, Seok Y. Lee, Kwangjoo Lee., et al. A Position Estimator Using Kalman Filter With a Data Rejection Filter for a Long-Stator Linear Synchronous Motor of Maglev. Access IEEE. 2020. V. 8. pp. 52443-52451.
10. Shabnam R., Ingo H. Structural Optimization of an Electromagnetic Actuator Based on Genetic Algorithm Greedy Search and Their Combination. Industrial Electronics (ISIE) 2019 IEEE 28th International Symposiu. 2019. pp. 408-413.
11. Ившин И.В., Сафин А.Р., Петров Т.И., и др. Разработка и реализация испытательного стенда для исследования характеристик синхронного электродвигателя // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. № 3(39). С. 45-55.
12. Татевосян А.С., Фокина В.В., Татевосян А.А. Разработка лабораторного стенда для исследования характеристик синхронного генератора на постоянных магнитах // ОмГТУ. 2014. №1.
13. Проскуренко С.С., Чернышова А.С. Выбор электромагнитных нагрузок синхронных генераторов с постоянными магнитами из различных материалов // Вологдинские чтения. 2006. № 61.
14. Силаев А.А., Марусина М.Я., Невмержицкий Д.А. Стенд для испытаний синхронного бесколлекторного двигателя // Приборостроение. 2019. №11.
15. Татевосян А.С, Педдер В.В., Буряков Н.Д, Пастушенко И.А. Экспериментальная методика идентификации высококоэрцитивных постоянных магнитов // ОНВ. 2018. №6 (162).
Авторы публикации
Петров Тимур Игоревич - аспирант, Казанский государственный энергетический университет.
Сафин Альфред Робертович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Safin AR, Khusnutdinov RR, Kopylov AM, et.al. Development of a method for topological optimization of electric machines based on a genetic algorithm. Vestnik KSPEU. 2019;4(40);77-85.
2. Sato T, Watanabe K, Igarashi H. Multimaterial Topology Optimization of Electric Machines Based on Normalized Gaussian Network. IEEE Transactions on Magnetics. 2015;51;3;l-4.
3. Insinga AR, Bjork R, Smith A, et.al. Optimally Segmented Permanent Magnet Structures. Magnetics IEEE Transactions. 2016;52;12;1-6.
4. Ho SL, Yang Sh, Bai Ya. A Fast Methodology for Topology Optimizations of Electromagnetic Devices. Magnetics IEEE Transactions. 2017;53;6;1-4.
5. Gracheva EI, Sadykov RR, Khusnutdinov RR, Abdullazyan RE. Investigation of the reliability parameters of low-voltage switching devices according to the operational data of industrial enterprises. Izvestiya VUZov. Energy issues. 2019;1-2.
6. Iles-Klumpner D, Risticevic M, Serban I, et.al. Topology Optimization of an Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Using a Coupled Finite Elements Genetic Algorithms Technique. Electromagnetic Field Computation 2006 12th Biennial IEEE Conference. 2006;501-501.
7. Ishikawa T, Kyoichi NK, Kurita N, et.al. Optimization of Rotor Topology in PM Synchronous Motors by Genetic Algorithm Considering Cluster of Materials and Cleaning Procedure. Magnetics IEEE Transactions. 2014;50;2;637-640.
8. Shenoy, KL, Kumar MS. Design topology and electromagnetic field analysis of Permanent Magnet Brushless DC motor for electric scooter application. International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques. 2016;1541-1545.
9. Jeong-Min Jo, Seok YL, Kwangjoo L, et.al. A Position Estimator Using Kalman Filter With a Data Rejection Filter for a Long-Stator Linear Synchronous Motor of Maglev. Access IEEE. 2020;8;52443-52451.
10. Shabnam R, Ingo H. Structural Optimization of an Electromagnetic Actuator Based on Genetic Algorithm Greedy Search and Their Combination. Industrial Electronics (ISIE) 2019 IEEE 28th International Symposium. 2019;408-413.
11. Ivshin IV, Safin AR, Petrov TI, et.al. Development and implementation of a test bench for studying the characteristics of a synchronous electric motor. Bulletin of Kazan State Power Engineering University. 2018; (39);45-55.
12. Tatevosyan AS, Fokina VV, Tatevosyan AA. Development of a laboratory stand for studying the characteristics of a permanent magnet synchronous generator. OmSTU. 2014;1.
13. Proskurenko SS, Chernyshova AS. Choice of electromagnetic loads of synchronous generators with permanent magnets from various materials. Vologda readings. 2006;61.
14. Silaev AA, Marusina MYa, Nevmerzhitskiy DA. Stand for testing a synchronous brushless motor. Priborostroenie. 2019; 11.
15. Tatevosyan AS, Pedder VV, Buryakov ND, et.al. Experimental method for identifying highly coercive permanent magnets. ONV. 2018;6(162).
Authors of the publication
Timur I. Petrov - Kazan State Power Engineering University. Alfred R. Safin - Kazan State Power Engineering University.
Получено 16 июня 2021г.
Отредактировано 23 июня 2021г.
Принято 25 июня 2021г.
