Методика проектирования автотракторных электроприводов на базе двигателей постоянного тока с возбуждением от составных магнитов

Актуальность работы. Электроприводы, выполненные на базе двигателей постоянного тока с постоянными магнитами (ДПТ с ПМ), находят все более широкое применение в различных областях техники. В качестве магнитных материалов, благодаря дешевизне и недифицитности материала, наиболее употребительными являются магнитотвердые ферриты бария и, последнее время ферриты стронция.

Необходимость удовлетворения постоянно растущим требованиям, предъявляемых к техническим характеристикам электродвигателей, их экономическим и эксплуатационным показателям, вынуждает производителей ДПТ с ПМ искать новые конструкционные решения, которые позволят повысить конкурентоспособность их продукции.

Устанавливаемые в автотракторные электродвигатели (элемент электропривода вентилятора отопителя, электропривода вентилятора охлаждения радиатора, электропривода стеклоподъемника) постоянные магниты отличаются сравнительно малой величиной отношения высоты магнита к его ширине, т. е. к величине полюсной дуги. При этом, магнитный поток поперечной реакции якоря замыкается через стальной корпус, к которому приклеены или прижаты пружинами магниты. Это приводит к тому, что сбегающий край магнита размагничивается. Чтобы гарантированно исключить возможность такого пере-магничивания и для качественного повышения коэффициентов использования материалов электродвигателя представляется целесообразным сделать его составным — выполнить некоторые участки магнита у его сбегающего края из материала с повышенной коэрцитивной силой. Остаточная магнитная индукция этого участка может быть повышена или понижена с тем, однако, чтобы увеличение индукции остальных участков магнита компенсировало это уменьшение.

Традиционные методы проектирования и расчета не позволяют с достаточной точностью рассчитывать ДПТ с возбуждением от составных магнитов (ДПТ с СМ), также не позволяют с наибольшей точностью учесть все факторы, влияющие на не только технические, но и экономические показатели ДПТ.

Внедрение в практику проектирования методов математического моделирования электромагнитных процессов в электрических машинах способствует значительному расширению спектра конструктивных исполнений ДПТ, поддающихся достаточно точному расчету.

В настоящее время промышленностью используется множество пакетов прикладных программ (ППП) для расчета и анализа всевозможных электрических и электронных схем. Один из таких пакетов, IRIS-PC, используется в составе систем автоматизированного проектирования (САПР) для расчета и моделирования ДПТ с ПМ. Существующая адаптация-данного программного продукта к расчету и анализу электромагнитных процессов и характеристик проектируемых машин, требует усовершенствования и синтеза с другим программным продуктом, с тем, чтобы реализовать расчет, с возможностью варьирования конструктивными и обмоточными параметрами проектируемых ДПТ с СМ и последующего построения рабочих характеристик.

В связи с вышеизложенным, предоставляется актуальным разработка методики проектирования автотракторных электроприводов на базе ДПТ с СМ, позволяющая с достаточной гибкостью обеспечить расчет, построение и анализ основных выходных характеристик, варьирование физических свойств используемых материалов, а также магнитных свойств составных полюсов.

Цель работы. Разработка методики проектирования автотракторных электроприводов на базе двигателей постоянного тока с возбуждением от составных магнитов по эквивалентной схеме замещения, позволяющая повысить потребительские свойства электроприводов.

Задачи исследования. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных задач по теме диссертации позволили определить необходимость их решения:

1. Предложить схему замещения и методику расчета ДПТ с ПМ, которые позволят рассчитывать конструкции не только двигателей с однокомпонентны-ми магнитами, но и новых ДПТ с применением составных (двухкомпонентных) магнитов в широком спектре характеристик компонентов.

2. Учесть в методике расчета для ДПТ с ПМ определение степени размагничивания сбегающих краев сегментов магнитных материалов (при токе короткого замыкания и низких температурах), а именно количество участков, на которые разбит каждый сегмент магнитов.

3. Необходимо обеспечить методику проектирования достаточной гибкостью с максимально-минимальным временем расчета для возможности вариации конструктивных и физических параметров проектируемых ДПТ с СМ, а также давать возможность наблюдать изменение величины магнитной индукции Bs на различных участках сегментов магнита и строить основные рабочие характеристики.

4. Апробировать предложенную схему замещения и методику расчета на примере современного электропривода, выполненного на базе ДПТ с ПМ.

5. Дать рекомендации по проектированию и разработке новых электроприводов на базе ДПТ с применением магнитов как однокомпонентных, так и составных, путем применения магнитного материала с повышенной коэрцитивной силой на сбегающих краях, включая реверсивные ДПТ.

Объект исследований. Объектом исследований является электропривод вентилятора отопителя 362.3780, производства^ОАО «КЗАЭ» (Калужский завод автоэлектрооборудования).

Электродвигатели 36-ой серии устанавливаются в качестве электроприводов на следующих автомобилях: BA3−2123 (36.3780, 362.3780), УАЗ -" Патриот" (36.3780), ВАЗ-2110 (361.3780), ВАЗ-2170 — «Приора» (361.3780), ВАЗ-1118 — «Калина» (362.3780).

Методы исследований. Исследования проводились с помощью программного комплекса для расчета ДПТ с ПМ с применением составной магнитной структуры (магниты с разными магнитными свойствами), при этом проводилось варьирование геометрических и обмоточных параметров двигателя, а также количества участков с другим магнитным материалом, с тем, чтобы получить необходимые рабочие характеристики электродвигателя. Кроме того, проводилось исследование применения составных магнитов для реверсивного режима работы электропривода.

Достоверность научных положений. Достоверность разработанной методики проектирования автотракторных электроприводов на базе двигателей постоянного тока с возбуждением от составных магнитов подтверждается согласованностью теоретических результатов с результатами эксперимента, полученных в испытательной лаборатории отдела главного конструктора ОАО «КЗАЭ».

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена эквивалентная схема замещения двухполюсного электродвигателя постоянного тока, позволяющая рассматривать магнитные полюса составной структуры в пределах полюсной дуги, когда используются магниты одной или разных марок с разными магнитными свойствами.

2. Усовершенствована методика для расчета двухполюсных ДПТ с возбуждением, как от однокомпонентных магнитов, так и от магнитов составной структуры (составных магнитов) с применением комплекса программ, состоящего из диалогового окна, C++Builder 6 и (ППП) IRIS-PC.

3. Разработаны рекомендации по определению степени размагничивания сбегающих краев магнитных полюсов при рассмотрении режима работы ДПТ в режиме короткого замыкания при пониженных температурах.

4. Даны рекомендации по определению и выбору необходимого магнитного материала с другими магнитными свойствами для применения его на сбегающих краях магнитных полюсов, с возможностью увеличения рабочего температурного диапазона электропривода.

5. Представлены рекомендации для расчета реверсивных электроприводов на базе двигателей постоянного тока с возбуждением от составных магнитов.

Практическая ценность.

1. Усовершенствованная методика обеспечивает достаточно надежную базу для практического применения расчета электроприводов, как с однокомпонентными магнитами, так и магнитами составной структуры, что позволит проводить достаточно точные расчеты и анализ электромагнитных процессов.

2. Разработан опытный образец электропривода вентилятора отопителя с применением составных магнитов (магниты разных марок с разными магнитными свойствами), выполненный на базе электропривода вентилятора отопителя 362.3780, производства ОАО «КЗАЭ».

3. На базе опытного образца представлены следующие конструкции (магниты разных марок с разными магнитными свойствами): а) конструкция электропривода вентилятора отопителя с пониженной массой и габаритами, предназначенного для работы в климатических условиях холодного климата (выходные параметры соответствуют выходным параметрам электропривода вентилятора отопителя 362.3780) — б) конструкция электропривода вентилятора отопителя повышенной удельной мощности, предназначенного для работы в климатических условиях холодного климата (внешние габариты соответствуют внешним габаритам электропривода вентилятора отопителя 362.3780);

4. Представлена конструкция электропривода вентилятора отопителя, позволяющая снизить стоимость магнитов, применением составных магнитов одной марки, но с разными магнитными свойствами (массогабаритные показатели" и выходные параметры соответствуют электроприводу вентилятора отопителя 362.3780).

Реализация результатов. Усовершенствованная методика проектирования и результаты диссертационной работы реализованы на ОАО «КЗАЭ» и используются при проведении конструкторских работ по проектированию электроприводов на базе ДПТ с возбуждением, как от однокомпонентных, так и составных магнитов, а также используются в учебных целях при проведении занятий по курсам «Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования» и «Система автоматического проектирования электрооборудования автомобилей и тракторов» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140 607.65 «Электрооборудование автомобилей и тракторов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на 65 Научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (Москва, 2007 г.). Основные разделы и результаты диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры «Автотракторное электрооборудование» МГТУ «МАМИ» в период аттестации и на научных конференциях.

На защиту выносятся:

1. Схема замещения электродвигателя постоянного тока с возбуждением от составных магнитов;

2. Диалоговое окно для ввода основных геометрических и обмоточных данных электродвигателей постоянного тока с возбуждением от составных магнитов (ДПТ с СМ);

3. Методика проектирования ДПТ с СМ с определением основных рабочих характеристик;

4. Методика определения степени размагничивания сбегающих краев магнитных полюсов;

5. Схема замещения реверсивного электродвигателя постоянного тока с возбуждением от составных магнитов;

6. Теоретические исследования применения магнитных полюсов составной структуры на примере электропривода на базе ДПТ с СМ, выполненного на базе электропривода вентилятора отопителя 362.3780;

7. Экспериментальные параметры электропривода на базе ДПТ с СМ, выполненного на базе электропривода вентилятора отопителя 362.3780.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, причем 2 в изданиях входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста и содержит 69 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 81 наименования и 4 приложения.

Основные выводы и результаты исследований.

В диссертационной работе рассмотрено применение составных магнитов в системе возбуждения электроприводов на базе ДПТ. Рассматривалось применение составных магнитов: когда составные магниты выполнены из разных магнитных материалов и с разными магнитными свойствамикогда составные магниты выполнены в пределах одной и той же марки, но с разными магнитными свойствами.

1. Предложена схема замещения двухполюсного электродвигателя постоянного тока с разбиением полюсов на 5 участков, позволяющая рассматривать магнитные полюса составной структуры в пределах полюсной дуги, когда используются магниты одной или разных марок с разными магнитными свойствами.

2. Усовершенствованна математическая модель, учитывающая особенности конструкции электропривода на базе ДПТ с СМ, которая обработана в C++Builder 6 и скомпилирована в единый комплекс, представляющий собой диалоговое окно для ввода основных геометрических и обмоточных параметров электродвигателя с передачей данных в (111 111) IRIS-PC и последующим расчетом основных рабочих характеристик ДПТ.

3. Адекватность разработанной методики проектирования подтверждена результатами экспериментов на серийном электроприводе вентилятора отопителя 362.3780 и на опытном образце электропривода с составными магнитами, выполненного на его базе. Полученная сходимость расчетных данных с характеристиками реально изготовленной машины достаточно велика и расхождение не превышает 5%, что является приемлемым для практического использования показателем точности расчетов.

4. Усовершенствованная методика проектирования обладает достаточной гибкостью расчета, позволяет анализировать и совершенствовать заводские серийные двухполюсные электроприводы на базе ДПТ, путем изменения как физических, так и конструктивных параметров, а также за короткий промежуток времени проводить расчет и получать выходные характеристики новых электроприводов на базе ДПТ с СМ, в том числе реверсивных.

5. Предложена методика, определяющая степень воздействия реакции якоря на сбегающие края магнитных полюсов электродвигателя постоянного тока при пониженных температурах и режиме короткого замыкания.

6. Разработан опытный образец электропривода с составными магнитами, выполненный на базе серийного электропривода вентилятора отопителя 362.3780 с применением на сбегающих краях магнитных полюсов магнитопласта МП65, магнитные свойства которого значительно выше свойства магнитотвердого феррита F3.5C, занимающий большую часть полюсной дуги.

7. Экспериментальное исследование опытного образца, показало, что применение составных магнитов позволило расширить рабочий температурный диапазон от Т=-40°С до Т=-60°С (магнитопласт МП65 занимает 20% от полюсной дуги), что позволяет эксплуатировать электропривод в климатических условиях не только умеренного, но и холодного климата, а также уменьшить расход меди на 5%, при этом сохранить выходные характеристики и геометрические размеры всех деталей электропривода 362.3780 без изменения.

8. Разработанная методика проектирования, в последующем развитии применения составных магнитов в ДПТ, выполненного на базе серийного электропривода 362.3780, позволяет ожидать: а) обеспечения надежной работы электропривода до Т=-40°С (магнитопласт МП65 занимает 20% от полюсной дуги), когда внешний диаметр электродвигателя уменьшен на 8% за счет уменьшения высоты составного магнита на 37%, при этом диаметр якоря остается неизменнымб) уменьшения расхода меди на 5% и обеспечения надежной работы электропривода до Т=-60°С (магнитопласт МП65 занимает 40% от полюсной дуги), когда внешний диаметр электродвигателя уменьшен на 8% за счет уменьшения высоты составного магнита на 37%, при этом диаметр якоря остается неизменнымв) расширения рабочего температурного диапазона от Т=-40°С до Т=-60°С (магнитопласт МП65 занимает 40% от полюсной дуги), повышения выходных характеристик электропривода, повышения удельной мощности Р на 26,6% при неизменной частоте вращения вала (при токе якоря 1а-22 А), по полезному моменту на валу М2 на 30%, а по полезной мощности на валу Р2 на 29%, когда диаметр якоря увеличен на 10,4% за счет уменьшения высоты магнита на 37%, при этом внешние габариты электродвигателя остаются без изменения, расход материалов составного магнита меньше на 34%- г) расширения рабочего температурного диапазона от Т=-40°С до Т=-60°С и уменьшения расхода меди на 5% (по 20% магнитопласта МП65 на каждом крае полюсной дуги), при этом сохранить выходные характеристики серийного электродвигателя и геометрические размеры всех деталей без изменения (электропривод реверсивный) — д) обеспечения надежной работы электропривода до Т=-40°С (по 20% магнитопласта МП65 на каждом крае полюсной дуги), когда внешний диаметр электродвигателя уменьшен на 8% за счет уменьшения высоты составного магнита на 37%, при этом диаметр якоря остается неизменным (электропривод реверсивный). е) снижения стоимости магнитных полюсов на 12,5%, при последующем применении на набегающих краях магнитных полюсов магнитного материала той же марки, но с более низкими магнитными свойствами (магнитотвердый феррит 18СА220 занимает 40% от полюсной дуги), при этом выходные характеристики и геометрические размеры всех деталей электропривода на базе ДПТ с ПМ 362.3780 остаются без изменения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.