Электромагнитный расчет магнитоэлектрического двигателя с удельной мощностью не менее 5 кВт/кг

Калий В. А. Kaliy V. A.

кандидат технических наук, главный конструктор ОКБ АО «УАПО», г. Москва, Российская Федерация

УДК 621.31

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ С УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ НЕ МЕНЕЕ 5 кВт/кг

В настоящей статье рассмотрен электромагнитный расчет и приведены параметры вентильного синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов номинальной мощностью 260 кВт при номинальной частоте вращения 2500 об/мин. Вентильный синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов предназначен для привода воздушного винта легкого самолета. Число фаз равно шести, схема соединения обмоток - звезда. Для достижения наилучших характеристик, в частности высокой удельной мощности 5 кВт/кг, был произведен поиск оптимального соотношения числа полюсов ротора и числа зубцов статора. Как показали расчеты, для реализации необходимого электромагнитного момента при заданных геометрических размерах в данном случае наилучшим вариантом является соотношение 28 полюсов на роторе и 36 зубцов статора. Также выполнено компьютерное моделирование разработанного электродвигателя в системах Mathcad, ANSYS, MATLAB, по результатам которого проведена предварительная компоновка электродвигателя. Для достижения высоких удельных показателей в конструкции электродвигателя был применен ряд специальных решений, среди которых применение двух трехфазных зубцовых обмоток, разделение способов охлаждения статора и ротора. Ротор, к тепловым потерям которого относятся фактически только потери трения, охлаждается набегающим потоком воздуха. Статор с основными тепловыми потерями, установленный в герметичном корпусе, охлаждается маслом, которое прокачивается под давлением. Самым сложным в разработке конструкции электродвигателя будет разработка герметичного статора. Здесь очень важна тщательная разработка корпуса и уплотнений на достаточно большом диаметре. На основе проведенных электромагнитных расчетов и предварительной проработки конструкции установлено, что разработанный на основе только отечественных электротехнических материалов электродвигатель на данном этапе проектирования не уступает зарубежному аналогу по удельной мощности. Кроме того, он может быть реализован на любом предприятии, специализирующемся на производстве электрических машин.

Ключевые слова: магнитоэлектрический двигатель, электромагнитный расчет, двигатель синхронный вентильный.

ELECTROMAGNETIC CALCULATION OF THE MAGNETIC-ELECTRIC ENGINE WITH SPECIFIC CAPACITY NOT LESS 5 kW/kg

In this paper, an electromagnetic calculation of the valve synchronous motor with excitation from permanent high-coercive magnets and with a rated power of 260 kW at a nominal speed of 2500 rpm was considered and parameters were obtained. The valve synchronous electromotor with excitation from permanent magnets is intended for the airscrew drive of the light plane. The number of phases is six, the winding connection is a star. To achieve the best performance, in particular, a high specific power of 5 kW/kg, for the optimum ratio search of the number of poles of the rotor and the number of stator teeth was made. As calculations have shown, in order to realize the required electromagnetic moment for given geometric dimensions, the best option is the ratio of 28 rotor poles on and 36 stator teeth. In addition, computer simulation of the developed

H 'M

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 13, 2017

electric motor in the Mathcad, ANSYS, MATLAB was carried out. Based on results, the preliminary arrangement of the electric motor were made. To achieve high specific parameters, a number of special solutions have been applied in the electric motor design, including the use of two three-phase concentrated windings, the separation of the methods for the stator and rotor cooling. The rotor, which thermal losses are in fact only the friction losses, is cooled by the oncoming airflow. An oil that is pumped under pressure cools the stator with the main thermal losses, installed in a sealed housing. The most difficult in the electric motor design is the development of a sealed stator. It is very important to carefully design the housing and seals on a sufficiently large diameter. Based on the electromagnetic calculations and preliminary design, it is established that the electric motor developed with the domestic electrotechnical materials at this design stage is not inferior to the foreign equivalent in terms of specific power. The considered electric motor can be realized at any enterprise specializing in the electric machine production.

Key words: magnetoelectric motor, electromagnetic calculation, synchronous valve motor.

В 2015 году компания «Сименс» показала новый электрический двигатель для легкого винтового полностью электрического самолета. Заявленные характеристики - мощность 260 кВт, масса при этом составляет всего лишь 50 кг. Удельная мощность спроектированного электродвигателя составляет 5 кВт/кг. Максимальная частота вращения электродвигателя разработки «Сименс» составляет 2500 об/мин.

В АО «Технодинамика» в 2016 году было принято решение произвести проектировочный расчет и разработать предварительную компоновку электродвигателя, не уступающего по своим параметрам этому зарубежному аналогу. Необходимо отметить, что по аналогии с прототипом выбрана конструкция магнитоэлектрического двигателя с возбуждением от постоянных магнитов при электропитании от статического инвертора напряжения.

При проведении проектировочных расчетов были использованы методики, представленные в [1-5], и рассмотрены два вида напряжения питания по постоянному току — 270 и 540 В, которые получаются выпрямлением переменного тока напряжением 115/200 или 230/400 В соответственно.

Данное напряжение соответствует ГОСТ Р 54073-2010 и может быть получено как путем выпрямления источника с частотой тока 360800 Гц, так и от аккумуляторной батареи с соответствующим числом последовательно включенных ячеек.

В проектируемом варианте было принято решение остановиться на более высоком напряжении 540 В, которое позволит снизить потери в токоведущих шинах и инверторе. Число фаз якоря электродвигателя принято шесть, соединенных звездой и конструктивно выполненных в виде зубцовых концентрических катушек. При этом для достижения наилучших характеристик в ходе расчета был произведен поиск оптимального соотношения числа полюсов ротора и числа зубцов статора. Как показали расчеты, для реализации электромагнитного момента при заданных геометрических размерах в данном случае наилучшим вариантом является соотношение 28 полюсов на роторе и 36 зубцов статора.

Обозначение электродвигателя — двигатель синхронный вентильный или ДСВ-260-2500. Основные параметры электродвигателя ДСВ-260-2500, полученные в результате электромагнитного расчета, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры электродвигателя

Наименование физической величины Обозначение Расчетное значение

Номинальная мощность, кВт Р ном 260,0

Номинальное постоянное напряжение, В U пном 540

Номинальное фазное напряжение, В ^ф ном 230

Номинальная частота вращения, об/мин п ном 2500

Число полюсов 2 Р 28

Режим работы продолжительный

Охлаждение жидкостное для статора

Материал стали статора прецизионный сплав 49К2ФА

Толщина листов статора, мм Аст 0,35

Материал стали ротора алюминий АК-6

Толщина листов ротора, мм Ар —

Основные параметры постоянных магнитов

Марка магнита N38

Материал магнита сплав «неодим-железо-бор»

Остаточная индукция, Тл В г 1,22

Коэрцитивная сила по индукции, А/м Н св 899000

Высота плашки магнита, мм h м 21

Ширина плашки магнита, мм Ь м 34,3

Длина одного магнита, мм 1 ГШ 28

Число магнитов на одном полюсе N пмп 2

Полное число магнитов N пм 56

Основные геометрические размеры двигателя

Диаметр ротора, мм D р 456,0

Диаметр расточки статора, мм D а 457,0

Длина воздушного зазора, мм 8 0,5

Полюсное деление, мм Т 51,3

Коэффициент полюсного перекрытия а 0,68

Активная длина статора, мм 1 а 54

Активная длина ротора, мм 1 р 54

Высота бандажной перемычки, мм К 3,0

Диаметр вала ротора, мм D ё 50,0

Основные геометрические размеры статора двигателя

Число зубцов статора 2 36

Ширина паза минимальная, мм К 26,7

Ширина паза максимальная, мм Ь2 29,2

Ширина зубца, мм Ь2 15

Высота зубца, мм h 16,8

Конфигурация паза трапецеидальный

Площадь паза, мм2 S п 405,4

Высота шлица, мм h шл 1,5

Ширина шлица, мм Ь шл 8

Высота ярма статора, мм у 8,7

Параметры обмотки статора двигателя

Коэффициент укорочения К у

Коэффициент распределения К р

Коэффициент скоса К ск 1,0

Обмоточный коэффициент К О 0,902

Коэффициент воздушного зазора К8 1,014

Число фаз т 3

Соединение фаз звезда

Число звезд N Зё 2

Число пазов на полюс и фазу Ч 3/14

Число сторон секций в пазу N ст 2

Число параллельных ветвей а1 1

Число параллельных проводов а2 3

Число проводников в пазу N а 24

Число витков в фазе Ф 24

Марка провода ПЭТПД-2-200

Сечение провода, мм2 S пя 3,86

- 7

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 13, 2017

Размеры провода голого, мм a х b 1,0 х 4,0

Размеры провода изолированного, мм a x b из из 1,10 х 4,12

Вылет обмотки статора, мм l выл 24

Средняя длина витка, м L ё 0,218

Активное сопротивление фазы при 20 °С, Ом R а 0,00776

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы, Ом X i 0,136

Индуктивное сопротивление фазы по оси d, Ом Xd 0,177

Индуктивное сопротивление фазы по оси q, Ом X q 0,177

Шаг по пазам У 1

Результаты поверочного расчета в номинальном режиме

Расчетное напряжение фазы, В иф ф 230,0

Расчетный ток нагрузки, А I H 261

Расчетная частота вращения, об/мин n 2500

Магнитный поток в зазоре в номинальном режиме, Вб Ф

Полная индукция в зазоре в номинальном режиме, Тл Вг 0,74

Расчетный коэффициент полюсного перекрытия О.. 0,675

Индукция в зубце якоря, Тл В z 1,99

Индукция в спинке якоря, Тл В ]Я 1,70

Коэффициент насыщения магнитной цепи К M 2,529

Массовые характеристики

Момент инерции ротора, кгм2 J р 1,695

Масса активных материалов двигателя, кг М аг 32,6

Масса двигателя, кг Мд эд 48,9

Результаты моделирования разработанного электродвигателя ДСВ-260-2500 в системах Mathcad, ANSYS, MATLAB, полученные при заданной геометрии электродвигателя, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что спроектированный электродвигатель обеспечивает мощность на валу 260 кВт при частоте вращения 2500 об/мин.

Таблица 2. Результаты поверочного расчета в номинальном режиме

Наименование физической величины Значение

Напряжение постоянное и, В 540

Постоянный ток I, А 508

Полезная мощность на валу Р , Вт 260

Номинальная частота вращения, об/мин 2500

Момент электромагнитный, Н 996,8

Действующий ток фазы статора I, А 522,4

Плотность тока У , А/мм2 21,8

Потребляемая мощность Р кВт 274,7

Коэффициент полезного действия ц, % 95,2

Коэффициент полезного действия ДСВ-260-2500 равен 95 %, что не уступает электродвигателю «Сименс». Предварительная компоновка электродвигателя ДСВ-260-2500 приведена на рисунке 1, а результаты поверочного расчета с моделированием магнитного поля представлены на рисунках 2-4.

Рисунок 1. Предварительная компоновка электродвигателя ДСВ-260-2500

Электротехнические комплексы и системы

2500

1250-

о н

-1250-

-2500-

г А м л ' \ /V ---фаза А —* -* - Фаза В -Фаза С

\/ / V \ / \ 1 Л V/ 1 V / % л V / \/ Л / д

/ \ V г \/ / \ X } / £ ^

1 V ^ V V V " V V VV

5,0

5.5

6.0

6,5

7.5

8.0

8.5

9.0

7,0 Время, мс

Рисунок 2. Графики токов в рабочих обмотках одной трехфазной звезды

Рисунок 3. Распределение индукции и магнитных силовых линий в магнитной системе электродвигателя

Время, мс

Рисунок 4. Графики фазных противо-ЭДС

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 13, 2017

Electrical facilities and systems

Основные характеристики спроектированного электродвигателя приведены в таблице 2. Они показывают, что для выбранных геометрических размеров и способа охлаждения они являются достаточными. Предварительная компоновка и оценка массы электродвигателя ДСВ-260-2500 показывает, что она не превышает 50 кг.

Для достижения высоких удельных показателей в конструкции электродвигателя ДСВ-26-2500 должен быть применен ряд специальных конструктивных решений. Основным техническим решением в отношении конструкции в данной электрической машине является разделение способов охлаждения статора и ротора. Ротор, к тепловым потерям которого относятся фактически только потери трения, охлаждается набегающим потоком воздуха. Статор с основными

Список литературы

1. Специальные электрические машины / Под ред. А.И. Бертинова. М.: Энерго-атомиздат, 1982. 547 с.

2. Попов В.И. Новые схемы трехфазных обмоток электрических машин с улучшенными свойствами: монография. Нижний Новгород: ВГИПИ, 1998. 116 с.

3. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник. М.: Энерго-издат, 1982. 504 с.

4. Поспелов Л.И. Конструкция авиационных электромашин. М.: Энергия, 1982. 320 с.

5. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. М.: Энергия, 1969. 632 с.

References

1. Spetsial'nyye elektricheskiye mashiny [Special Electric Machines]. Pod red.

тепловыми потерями, установленный в герметичном корпусе, охлаждается маслом, которое прокачивается под давлением. Самым сложным в разработке конструкции электродвигателя будет разработка герметичного статора. Здесь необходима тщательная разработка корпуса и уплотнений на достаточно большом диаметре.

Вывод

Таким образом, проведенные электромагнитные расчеты и предварительная проработка конструкции показывают, что разработанный на основе только отечественных электротехнических материалов электродвигатель на данном этапе проектирования не уступает зарубежному образцу по удельной мощности. Он вполне может быть реализован на любом предприятии, производящем электрические машины.

A.I. Bertinova. Moscow, Energoatomizdat, 1982, 547 p.

2. Popov V.I. Novyye skhemy trekhfaznykh obmotok elektricheskikh mashin s uluch-shennymi svoystvami [New Schemes of Three-Phase Windings of Electrical Machines with Improved Properties]: monograph. Nizhniy Novgorod, VGIPI, 1998, 116 p.

3. Kravchik A.E., Shlaf M.M., Afonin V.I., Sobolenskaya Ye.A. Asinkhronnyye dvigateli serii 4A [Asynchronous Motors of 4A Series]: reference book. Moscow, Energoizdat, 1982, 504 p.

4. Pospelov L.I. Konstruktsiya avia-tsionnykh elektromashin [Construction of Aviation Electric Machines]. Moscow, Energiya, 1982, 320 p.

5. Sergeyev P.S., Vinogradov N.V., Gory-ainov F.A. Proyektirovaniye elektricheskikh mashin [Designing Electrical Machines]. Moscow, Energiya, 1969, 632 p.