Тяговые двигатели на постоянных магнитах в электроприводе автомобиля

УДК 621.313.4

Тяговые двигатели на постоянных магнитах в электроприводе автомобиля

Иван Александрович Бербиренков, аспирант, e-mail: i7v7a7n@inbox.ru

Вячеслав Васильевич Лохнин, д. т. н., проф., каф. «Электротехника и компьютеризированные электромеханические системы»

ФГОУ ВПО «Московский государственный технический университет «МАМИ», Москва

Представлен сравнительный анализ тяговых электроприводов с различными типами тяговых электродвигателей; показано, что наиболее перспективным является тяговый электропривод с вентильным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов; рассмотрено использованию в этих двигателях конструкции роторов коллекторного и когтеобразного типов для обеспечения максимально возможной концентрации магнитного потока в рабочем воздушном зазоре.

The article presented a comparative analysis of the traction motors with various types of traction motors. It is shown that the most promising is the traction drive with brushless drive with permanent magnet excitation. The authors the use of these engines, rotor design of the collector and claw types to ensure the highest possible concentration of magnetic flux in the working air gap.

Ключевые слова: вентильный тяговый двигатель, тяговый электропривод, двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

Keywords: valve drive motor, traction, engines with permanent magnet excitation.

Тип тягового электродвигателя определяется на начальном этапе проектирования электромобиля, потому что от этого зависит компоновка транспортного средства. Выбор того или иного тягового электродвигателя в электроприводе электромобиля обусловлен, прежде всего, областью применения электромобиля.

Также при этом очень важно учитывать такие факторы, как КПД и собственная масса привода, поскольку они влияют на время работы тяговых аккумуляторных батарей, которые имеют ограниченный запас энергии и значительную массу. Тяговые аккумуляторные батареи являются источником питания тягового вентильного двигателя, и от них зависит время работы и максимальная развиваемая мощность привода.

Целью работы является сравнение тяговых электроприводов с различными типами тяговых электродвигателей (постоянного тока, асинхронный переменного тока, вентильный с возбуждением от постоянных магнитов) и выбор наилучшего варианта для использования в электромобиле.

Базовыми требованиями, предъявляемыми к тяговому электроприводу, являются простота изготовления, надежность, удобство обслуживания, легкость регулирования, простота системы управления, высокий момент во всем диапазоне частот вращения, пригодность для рекуперативного торможения и высокий КПД. Покажем, что наилучшим образом этим требованиям удовлетворяет тя-

говый вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов [1].

Тяговые электроприводы с тяговыми электродвигателями постоянного тока обладают несомненными достоинствами, но следует отметить их основной и очень существенный недостаток - наличие механического контакта в щеточно-коллекторном узле.

Поэтому тяговые электроприводы с тяговым электродвигателем переменного тока (асинхронными и синхронными), несмотря на свою сложную и дорогую систему регулирования, оказываются более надежными, легкими и долговечными.

Асинхронные тяговые электродвигатели впервые были использованы на опытных электромобилях фирмы General Motors, которая в полной мере реализовала их преимущества.

Далее рассмотрим более подробно особенности тяговых электроприводов с синхронными тяговыми электродвигателями. Чаще всего они выполняются по схеме вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 1), где легко обеспечивается работа с cos^ = 1 и, более того, при необходимости, с cos^ < 1 [3].

В тяговых электроприводах с вентильными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют скользящие электрические контакты, что существенно повышает их ресурс и надежность. Эти двигатели конструктивно просты и не требуют затрат энергии на возбуждение.

Рис. 1. Структурная схема тягового электропривода с вентильным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов: ИП - источник питания; БВП - бортовой вентильный преобразователь; ВДПМ - тяговый вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов; ТГ - тахогенератор; ДПР - датчик положения ротора

Для обеспечения минимальных массы и габаритных размеров двигателя с возбуждением от постоянных магнитов необходимо выбирать многополюсный ротор с 2р > 6 (где 2р - число полюсов ротора). При этом для возбуждения двигателя следует применять высококоэрцитивные постоянные магниты на основе ферритов бария или стронция, а также редкоземельных элементов - кобальта и соединения «неодим-железо-бор».

Существуют следующие конструктивные исполнения ротора с параллельным включением постоянных магнитов по магнитному потоку: когтеобразный ротор и ротор с коллекторным размещением постоянных магнитов [1].

Конструкция когтеобразного ротора в многополюсном варианте (рис. 2) содержит цилиндрический постоянный магнит (как правило, из феррита бария или стронция), намагниченный по оси цилиндра, и когтеобразную систему из магнитомягкого материала.

Конструкция ротора с коллекторным размещением постоянных магнитов (рис. 3) более универсальна с точки зрения использования магнитного материала: в ней эффективны все высококоэрцитивные постоянные магниты. Дополнительным достоинством этой конструкции является возможность концентрации магнитного потока не только путем изменения числа полюсов, но и за счет увеличения длины ротора, вследствие чего он заметно выступает из-за лобовых частей обмотки статора.

Рис. 2. Когтеобразный ротор: 1 - неподвижный магнитопро-вод шунта; 2 - обмотка возбуждения; 3 - кольцо, объединяющее полюса одной полярности; 4 - полюса; 5 - магнит; 6 - втулка; 7 - вал

Основным достоинством когтеобразного ротора являются его конструктивная простота и надежность, а недостатком - заметное межполюсное рассеяние.

Рис. 3. Ротор с коллекторным размещением постоянных магнитов: 1 - вал; 2 - постоянный магнит; 3 - магнитомягкие полюсные секторы; 4 - немагнитная втулка

Основной недостаток конструкции ротора коллекторного типа - сложность обеспечения достаточной механической прочности, в особенности на высоких частотах вращения [4].

В качестве перспективных предлагаются два варианта привода ведущих колес электромобиля: безредукторный (с мотор-колесами) и с понижающим редуктором. Поскольку в первом варианте есть жесткое ограничение по наружному диаметру вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов (ограничение диаметром колеса) и максимальной частоте вращения, то на основании оптимизационных расчетов было показано, что наилучший результат в этом случае достигается при применении высокоэнергетических постоянных магнитов на основе соединения «не-одим-железо-бор».

Во втором варианте (с приводом колес через понижающий редуктор и дифференциал) нет жестких вышеуказанных ограничений, поэтому целесообразно применять дешевые ферритовые постоянные магниты.

Характеристики разработанных тяговых электроприводов с вентильным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов на основе соединения «неодим-железо-бор» и жидкостной системой охлаждения [2] приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики модификаций тяговых электроприводов с вентильными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов

Параметр ТЭП-12 ТЭП-17

Напряжение источника питания, В 120 220

Мощность, кВт:

номинальная; 12 17

максимальная 25 40

Частота вращения, об/мин:

номинальная; 2500 5000 2500 5000

максимальная 6500 13000 6500 13000

Номинальный ток, А 230 240 200 200

Максимальный ток, А 500 500 500 500

КПД, % 94 94 94 94

Диаметр ВДПМ, мм 168 145 168 145

Длина ВДПМ, мм 280 220 500 350

Масса ВДПМ, кг 34 13,6 67 26,4

Таблица 2. Основные характеристики тяговых электроприводов

Тип тягового электродвигателя

Параметры Постоянного тока Асинхронный переменного тока Вентильный с возбуждением от постоянных магнитов

Максимальная мощность, кВт 40 40 40

Максимальный ток, А 410 500 192

Частота вращения, об/мин: номинальная; 2200 3000 5000

максимальная 6700 8000 13000

Масса тягового двигателя, кг 92 70 26,4

Масса вентильного преобразователя, кг 8 22 22

Масса тягового электропривода, кг 109 92 48,4

КПД, % 75 85 94

Стоимость тягового электропривода, у. е. 2500 5000 5400

Из табл. 1 видно, что при различных исполнениях двигателей может быть получен одинаковый КПД.

В заключение приведем результаты сравнительного анализа основных характеристик [2] тяговых электроприводов с тяговыми электродвигателями различного типа (табл. 2).

Таким образом, сравнение тяговых электроприводов с различными типами тяговых электродвигателей (постоянного тока, асинхронный, вентильный с возбуждением от постоянных магнитов) показывает, что наиболее перспективным является тяговый электропривод с вентильным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов, который в 1,5...2,5 раза легче, имеет максимальный КПД и лучшие регулировочные характеристики.

Тяговые электродвигатели на постоянных магнитах с роторами когтеобразного или коллекторного типов обеспечивают бесконтактность электроприво-

да, имеют высокую надежность и относительно невысокую стоимость, обладают конкурентоспособными удельными массогабаритными показателями; они выполнены на дешевых и доступных постоянных магнитах из феррита бария или стронция.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лохнин В. В. Бесконтактный тяговый электродвигатель в структуре вентильного электропривода // Сб. научн. тр. «Электромеханические системы» / под ред. А.В. Лепеш-кина. М: МГТУ «МАМИ», 1995. С. 38 - 43.

2. Гурьянов Д. И. Концепция гибридного микроавтобуса с индивидуальным электроприводом колес // Тезисы докл. XXXIX Междунар. научн.-техн. конф. «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения». М.: МГТУ «МАМИ». 2002. С. 12 - 15.

3. Вольдек А. И. Электрические машины // М.: Энергия. 1984. С. 743 - 749.

4. Онищенко Г. Б. Электрический привод // М.: Издательский центр «Академия». 2006. С.157 - 163.

Поступила 02.03.2011 г.