Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Чильдинов П.А., Панин М.Г.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

Высокомоментный магнитоэлектрический

преобразователь для электротранспорта

Бурный рост городского автотранспорта привел к необходимости разработки машин, не загрязняющих воздушные бассейны выхлопными газами, имеющих низкий уровень шума и прогрессивные конструктивные решения. Современные технические системы имеют ряд недостатков по своим тактико-техническим и экономическим показателям за счет наличия редуктора, т.к. всегда предполагается определенный процент потерь передаваемой мощности за счет сил трения [1]. В настоящее время необходимость применения электропривода для тихоходных маневренных экипажей, от инвалидных кресел-колясок до городских электромобилей и электробусов, является практически бесспорной.

Новая концепция безредукторного привода исключает многие механические потери между двигателем и рабочим агрегатом (рис. 1). Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих машин существенно упрощает последние, повышает их функциональные возможности и технические характеристики. При выполнении привода ведущих колес по типу «мотор-колесо», в едином агрегате конструктивно объединены тяговый электродвигатель и механическая передача, соединяющая его с колесным движителем [2].

В качестве двигателя безредукторного привода выбран и спроектирован вариант бесконтактной синхронной электрической машины с кольцевой обмоткой на статоре и постоянными магнитами на роторе, что обеспечивает более широкие функциональные возможности в самых тяжелых условиях и режимах по сравнению с асинхронной. При этом для большинства объектов управления бесконтактный двигатель выполняется тихоходным. Высокий КПД – характерный признак такого низкооборотного, но высокомоментного двигателя с частотным управлением [3].

Рисунок 1 – Модель безредукторного двигателя

Парк современных электромобилей состоит из пневмоколесных машин различного класса и назначения грузоподъемностью 0,3—180 т и более, в том числе грузового и пассажирского городского, карьерного, внедорожного транспорта и т.д. Одна из наиболее сложных научно-технических задач – это разработка собственно тягового электропривода, преобразующего энергию и передающую ее ведущим колесам в соответствии с требуемой тяговой характеристикой и технологическими циклами транспортных операций, от параметров которого во многом зависят эксплуатационные и технико-экономические показатели электромобиля [2].

Объектом исследования в данной работе является магнитоэлектрический двигатель с двойным полым индуктором, совершающим вращательные движения, и кольцевой обмоткой на якоре (рис. 2). Технологичная конструкция этого двигателя позволяет получить малые частоты вращения и высокий пусковой момент при сравнительно небольших габаритах и высоких энергетических показателях. Вместе с тем, увеличивая суммарный воздушный зазор за счет применения машины с двойным индуктором и используя редкоземельные постоянные магниты с высокой удельной энергией, удается уменьшить реакцию якоря [5]. Для оптимального проектирования таких машин и создания системы управления качеством при серийном производстве требуется создание комплекса методик синтеза и анализа.

Магнитоэлектрический двигатель содержит сердечник якоря 1 с намотанной на него кольцевой обмоткой 2, магнитопровод 3, электропроводящий двойной индуктор 4, в виде двух полых цилиндров, набранных из постоянных магнитов.

Рисунок 2 – Магнитоэлектрический двигатель с кольцевой обмоткой

Магнитоэлектрический электромеханический преобразователь с кольцевой обмоткой работает следующим образом. При подводе к обмотке якоря 2 трехфазного тока из сети, в результате взаимодействия магнитных полей якоря и индуктора, поле якоря увлекает за собой индуктор. Возбуждаясь от поля постоянных магнитов, индуктор приходит во вращение, обуславливая электромагнитный момент. При этом индуктор вращается в ту же сторону и с такой же скоростью, как и поле якоря [4].

При питании обмоток статора системой синусоидальных напряжений с необходимым временным сдвигом имеет место режим синхронного двигателя. Магнитоэлектрический двигатель с кольцевой обмоткой способен также работать в режиме генератора электрической энергии. Имеется возможность осуществлять программирование параметров, изменять характеристики привода путем изменения его структуры, а также путем изменения формы фазных напряжений или переключения секций обмотки статора синхронной машины.

Конструкция якоря электрической машины позволяет упростить обмотку, обеспечить надежное крепление обмотки к сердечнику, защитить обмотку от различных воздействий. За счет очень малых лобовых частей кольцевой обмотки электрическая машина имеет лучшие энергетические и массогабаритные характеристики.

Конструкция ротора 4 и магнитопровода 3 позволяет при максимальном использовании поля постоянных магнитов, получить высокий электромагнитный момент, улучшить условия охлаждения, при этом не нарушается требование минимальных веса и габаритов. Равномерное распределение обмотки якоря дает возможность получать совершенно равномерное вращение двигателя, что значительно улучшает свойства электрических машин.

Список литературы

1. Ставров О.А. Перспективы создания эффективного электромобиля. – М.: Наука, 1994. – 165 с.

2. Яковлев А.И. Конструкция и расчет электромотор-колес. – М.: Машиностроение, 1995. – 238 с.

3. Исмагилов Ф.Р. Электромагнитные элементы систем управления со сложной геометрией ротора. – Уфа: УГАТУ, 1997. – 139 с.

4. Хайруллин И.Х. Электромагнитные поля и параметры электромеханических преобразователей энергии: учебное пособие / И.Х. Хайруллин, В.А. Папернюк, Д.Ю. Пашали. – Уфа: УГАТУ, 2007. – 165 с.

5. Пат. № 112536 РФ. Магнитоэлектрический электромеханический преобразователь с кольцевой обмоткой/Ф.Р.Исмагилов, И.Х.Хайруллин, П.А.Чильдинов. 2011.