» » Современные направления электромеханического преобразования энергии
Современные направления электромеханического преобразования энергии
Дата: 21 марта 2017 г.

Все виды существующих электродвигателей используют до 45% генерируемой глобальной электрической энергии [1]. Мощности электропривода (электродвигатель, система управления и регулирования) находятся в диапазоне от микроватт до нескольких мегаватт. Повышение энергоэффективности работы электропривода является важной задачей снижения энергопотребления. Одним из эффективных направлений решения этой проблемы является применение вентильных электродвигателей на базе постоянных магнитов. Так в новых разработках синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) достигается соответствие требованиям класса энергоэффективности IE4 (Super-premium motor) по IEC 60034-30 [1].

Применение постоянных магнитов в электромеханических преобразователях энергии (электродвигатели, генераторы) имеет давнюю историю, но наиболее щирокое их использование достигло с появление высокоэнергетических магнитов из редкоземельных элементов SmCo и NdFeB, имеющих высокие энергетические параметры, рис 1.

Современные направления электромеханического преобразования энергии

Рис. 1 Изменение значений параметра магнитной энергии (BH)max постоянных магнитов по мере разработки магнитных материалов. Указаны магнитные материалы, изготовленные методом порошковой металлургии[2].

 

Наряду с редкоземельными магнитами росту эффективности в данной области электромеханических преобразователей энергии способствует:

- бурное развитие всех типов приборов силовой электроники с доминированием полевых и биполярных транзисторов с изолированным затвором (MOSFET и IGBT) и интегрированных структур на их основе (силовые интегральные схемы и гибридные модули);

- повсеместное внедрение цифрового микропроцессорного управления электроприводами на базе современных микроконтроллеров;

- совершенствование методов управления электроприводами (широтно-импульсная модуляция, векторное управление);

- применение при проектировании электромеханических преобразователей энергии программ численного моделирования ELCUT, Ansys, Maxwell, Flux, FEMM, что позволяет весьма точно рассчитать параметры и характеристики различных конструкций и конфигураций;

- применение современных электротехнических материалов с высокой индукцией насыщения.

Известны три общих типа, рис.2, конструкций электромеханических преобразователей энергии [3]:

- конструкция с внутренним ротором, рис.2а, т.е. такая, при которой ротор располагается внутри статора, а рабочий магнитный поток при такой конструкции проходит в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора электрической машины;

- конструкция с внешним ротором, рис.2б, т.е. такая, при которой ротор располагается снаружи статора, рабочий магнитный поток также проходит в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора электрической машины;

- конструкция с аксиальным магнитным потоком, рис2в, данная конструкция отличается тем, что рабочий магнитный поток проходит вдоль оси вращения ротора электрической машины.

На рис.2 представлены основные варианты конструктивных схем электромагнитных преобразователей энергии с применением постоянных магнитов.
Современные направления электромеханического преобразования энергии
Рис. 2 Основные конструктивные схемы электромеханических преобразователей энергии с постоянными магнитами, где:
1-статор; 2-ротор; 3-постоянный магнит.
В рамках данных трех общих типов конструкций электромеханических преобразователей энергии на постоянных магнитах существует множество вариантов конструктивных исполнений, определяемых величиной потребляемой мощности (электродвигатели) или генерируемой мощности (электрогенераторы), диапазоном рабочей частотой вращения (до 1000000 мин-1), рабочим моментом и другими требуемыми параметрами.

 

Основными достоинствами таких электрических машин являются:

- бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец). Как следствие: существенно повышается ресурс и надежность электропривода; упрощается эксплуатация электрической машины, возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

- возможность реализации различных видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами;

- обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения (до 1:10000 и более);

- возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата;

- высокое быстродействие и точность позиционирования;

- большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более);

- высокие энергетические показатели (КПД и соs φ). КПД вентильных двигателей могут превышать 90%, соs φ – более 0,95;

- более низкий перегрев сравнению с асинхронным двигателем при одинаковой мощности и одинаковых размерах. Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом;

- высокие удельные массогабаритные показатели.

 

Электрические машины с постоянными магнитами нашли широкое применение в изделиях различных отраслей промышленности:

- станкостроение и робототехнические комплексы;

- авиастроение и космические аппараты;

- изделия специального применения (беспилотные летательные аппараты, автономные роботы и манипуляторы);

- морские суда надводного и подводного флотов;

- автомобили и железнодорожная техника;

- возобновляемые источники энергии;

- автономные источники питания аппаратуры;

- медицинская техника и медико-санитарные установки;

- электроинструмент;

- сельскохозяйственное машиностроение;

- товары народного потребления.

 

ООО «Конструкторское бюро электроаппаратуры» (ООО «КБЭА») ведет НИОКР и осуществляет опытное производство в направлении электромеханических преобразователей энергии на базе редкоземельных постоянных магнитов. Разработан тихоходный синхронный генератор для питания слаботочных низковольтных электронных блоков, рис.3а [3, 4] и испытан опытный образец при установке на буксе колесной пары железнодорожного вагона. Разработан, изготовлен тихоходный моментный электродвигатель и подтверждены его рабочие характеристики , рис.3б [4].
Современные направления электромеханического преобразования энергии
Рис.3 Образцы: а) - тихоходного синхронного генератора, б) - тихоходного электродвигателя (мотор-колесо) с постоянными магнитами.
В настоящее время ведется разработка бездатчикого вентильного электрического преобразователя силовой установки мощностью до 1000 Вт на напряжение 24 вольта постоянного тока и синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов с высокими энергетическими и массогабаритными характеристиками. Датчик обратной связи по положению имеет различные варианты конструкций, строится на оптических, магнитных или электронных элементах и является элементом ненадежности в системах управления электромеханических преобразователях. Сигнал обратной связи получается при помощи математического моделирования имитатора сигнала датчика положения ротора (ДПР), а физический датчик на преобразователях Холла исключен. В качестве источника были использованы трехфазные напряжения и токи обмоток синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, а для выделения сигнала ДПР разработана особая адаптивная математическая модель электродвигателя, учитывающая насыщение магнитной цепи, реакцию якоря, изменение электрических параметров во времени в том числе и от температуры и др.

Разработки по совершенствованию электромеханических преобразователей энергии продолжаются и находят применение в различных приложениях техники. Основным направлением совершенствования вентильных электроприводов в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления, которые позволят повысить надежность и снизить себестоимость таких электроприводов.

 

 

Литература:

1. Hyun-Kyo Jung Global Movement in Developing High Efficiency Motor, Seoul National University, Korea, 2015.

2. Steve Constantinides MANUFACTURE OF MODERN PERMANENT MAGNET MATERIALS, Arnold Magnetic Technologies Corp.,hester, USA, 2012.

3. Duane Hanselman Brushless permanent magnet motor design, Magna Physics Publishing, 2006.

4. Гусев С. А., Приказщиков А. В., Нестерин В. А., Спиридонов А. А. Магнитоэлектрический генератор стабилизированного напряжения в широком диапазоне частот вращения, Электроника и электрооборудование транспорта, 2016, №3.

 

Условия копирования и цитирования материалов сайта.

Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов нашего сайта разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки (не редирект и не закрыта от индексации поисковиками) на наш сайт http://www.kbea.ru, и с письменного разрешения администрации сайта (пишите нам на e-mail: info@kbea.ru, указав адрес сайта, на котором хотите разместить материал). При этом, если в статьях и других материалах сайта есть внутренние ссылки, их необходимо при перепубликации сохранить в неизменном виде, не закрывая от индексации. Добавлять в наши материалы ссылки на другие сайты запрещено.

В случае обнаружения нарушения условий копирования наших материалов, администрация сайта www.kbea.ru будет предпринимать соответствующие санкции к нарушителям: обращение к хостинговой компании, у которой расположен сайт с незаконно используемыми материалами, административные санкции, судебные иски и другие меры - в соответствии с действующим законодательством.

 


© КБЭА
428000, Россия, Чувашская Республика, г.Чебоксары, ул.Текстильщиков, д.8
Тел.: +7 (8352) 222-751, факс: +7 (8352) 222-813 / Email: info@kbea.ru