CC BY
53
УДК 621.313.315
А.А. АФАНАСЬЕВ, В.В. БЕЛОВ, А.В. НИКОЛАЕВ
ЧИСЛЕННЫЕ РАСЧЕТЫ ОДНОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО МОТОРА
Ключевые слова: магнитопластовые постоянные магниты, транзисторные ключи, полевые расчеты.
Рассмотрены конструкции и результаты численных расчетов однофазных вентильных двигателей осевых вентиляторов системы охлаждения автомотора.
A.A. AFANASYEV, V.V. BELOV, A.V. NIKOLAEV CALCULATIONS OF THE SINGLE-PHASE MOTOR WITHOUT BRUSHES OF AXIAL FANS AUTOMOTOR COOLING SYSTEM Key words: the magnetlayer constant magnets, transistor keys, field calculations.
Considered designs and results of numerical calculations single-phase motor without brushes of axial fans automotor cooling system.
Постановка задачи. В отечественных автомобилях вентиляторы рассматриваемого назначения приводятся во вращение либо с помощью клиноременной передачи от вала двигателя, либо коллекторным электродвигателем.
Применение вентильного электродвигателя (ВД) взамен коллекторного позволяет упростить обслуживание, повысить надежность и экологичность функционирования системы охлаждения автомобильного мотора.
Указанная замена становится возможной, если, во-первых, стоимость ВД не превысит ценового ограничения (сейчас это 880 руб.), во-вторых, допускаемая температура электронных компонентов блока управления ВД соответствует тепловым ограничениям их места работы и, в-третьих, габаритные размеры ВД не превышают таковые коллекторных электродвигателей.
Первое ограничение, являющееся наиболее существенным, диктует минимизацию числа силовых ключей блока управления и отказ от использования явных датчиков положения ротора ВД. В этих условиях применение однофазных ВД становится практически безальтернативным.
Запуск в ход однофазных ВД возможен при условии известной (предпусковой) фиксации положения ротора в обесточенном состоянии.
Согласно техническому заданию ВД при напряжении питания 12 В в установившемся тепловом режиме при скорости 2500 об/мин должен иметь потребляемый ток не более 20 А.
Варианты конструкций ВД. Разработка ВД, который выполняется без датчика положения ротора, производилась на основе макетного (физического) и математического моделирования следующих пяти типов конструкций:
1. Однофазный магнитоэлектрический ВД с 12 несимметрично расположенными полюсами (магнитами) на внешнем роторе и 12 зубцами с катушками на статоре.
2. Однофазный магнитоэлектрический ВД с 6 несимметрично расположенными полюсами (магнитами) на внешнем роторе и 6 активными (с катушками) и с 6 неактивными (без катушек) зубцами на статоре.
3. Однофазный магнитоэлектрический ВД с 12 симметрично расположенными полюсами (магнитами) на внешнем роторе и 12 зубцами с катушками на статоре, имеющими несимметричный относительно оси зубцов профиль (размер) воздушного зазора.
4. Двухфазный вентильный индукторный двигатель (ВИД) с 6 клювообразными зубцами на внешнем роторе и 12 зубцами на статоре.
5. Трехфазный ВИД с 8 зубцами на внешнем роторе и 6 зубцами на статоре.
Однофазные вентильные двигатели с постоянными неодим-железо-боровыми магнитопластовыми магнитами (ВДПМ) (Вг = (0,5 - 0,6) Тл ) имеют однофазную обмотку, состоящую из двух полуобмоток. Первую полуоб-мотку образуют последовательно соединенные катушки нечетных, вторую -катушки четных зубцов. Каждая из полуобмоток расположена под полюсами (магнитами) разной полярности.
Полуобмотки подключаются с помощью двух ключей (рис. 1) к источнику питания (аккумуляторной батарее) поочередно и встречно своим ЭДС вращения, сдвинутым на 180 эл. градусов [1].
На рис. 1, б показан угловой интервал движения ротора 0 < & < п, на котором электромагнитный момент М1 = е1і1 / ю создается первой полуобмот-
кой. На последующем интервале п<&< 2п (рис. 1, г) работает вторая полу-обмотка, создавая момент М2 = е2і2 / ю .
+ С
УК
2
V-
О
а
б
\
\
N
/
е
в г
Рис. 1. Подключение обмоток с помощью ключей
Фрагменты поперечной геометрии магнитоэлектрических ВД (первых двух вариантов конструкций) показаны на рис. 2.
Рис. 2. Типы поперечной геометрии однофазных ВДПМ
Математическое моделирование ВД. Рассматриваемые вентильные двигатели с постоянными магнитами имеют следующие общие параметры: наружный диаметр ротора - 110 мм; внутренний диаметр ротора - 97 мм; воздушный зазор - 0,5 мм; длина пакета статора - 16 мм; материал магнитов - неодим-железо-боровый магнитопласт с остаточной индукцией -0,52 Тл; толщина магнитов - 4 мм; номинальный ток - 20 А; номинальная скорость вращения - 3000 об/мин; пониженная фиксированная скорость вращения - 1500 об/мин.
Параметры различных конструкций ВД приведены в нижеследующей таблице.
Тип конструкции ВД
Параметры 1 2 3
Число полюсов 12 6 12
Число зубцов статора 12 6 12
Число витков в одной катушке 9 18 9
У всех предложенных конструкций ВД был произведен расчет магнитного поля методом сопряжения конформных отображений [2], а на его основе рассчитывались электромагнитные моменты методом натяжений [3].
На рис. 3 показана конфигурация расчетной области конструкции № 1, и применительно к ней на рис. 4 фиксируется распределение нормальной составляющей магнитной индукции в отдельных участках расчетной области для режима холостого хода. Следует отметить, что магнитная индукция в воздушном зазоре напротив магнитов составила примерно 0,4 Тл.
На рис. 5 приведена конфигурация расчетной области конструкции № 2, разбитая на 114 ЭУ.
Распределение нормальной составляющей магнитной индукции вдоль окружности верхнего берега воздушного зазора для двух типов ВДПМ в режиме холостого хода показано на рис. 6.
Реактивные моменты при обесточенной обмотке статора показаны на рис. 7. Из него видно, что максимум момента у второй конструкции (0,08 Нм) примерно в три раза меньше; поэтому запуск ВД этого типа будет сопровождаться меньшим пусковым током, а в рабочем режиме он будет иметь меньший уровень вибрации и шума.
Формы ЭДС холостого хода (расчетные и опытные) макетных образцов номеров 1 и 2 для скорости 3000 об/мин показаны на рис. 8. Обращает на себя внимание различие во времени (почти в два раза) положительных и отрицательных участков ЭДС образца № 2.
Рис. 3. Конфигурация расчетной области конструкции № 1
Рис. 4. Распределение нормальной составляющей магнитной индукции по окружностям рис. 3: кривая 1 - окружность верхнего берега воздушного зазора (низ ЭУ 57,58,59,60); кривая 2 - окружность нижнего берега воздушного зазора (верх ЭУ 34,35,36,.. .,42); кривая 3 - окружность, проходящая через нижние поверхности зубцовых усиков (низ ЭУ 34,35,36,.. .,42)
Рис. 5. Конфигурация расчетной области конструкции № 2
Рис. 6. Распределение нормальной составляющей магнитной индукции вдоль окружности верхнего берега воздушного зазора для двух типов ВДПМ: кривая 1 - конструкция № 1, кривая 2 - конструкция № 2
10
5
0
-5
-10
Рис. 7. Реактивный момент обесточенного ВДПМ: кривые 1 - г^12; 2 - 21=6
8 Е, В
Е, В
I мс
Л
/ 7
2 6 1, м с
V.,-. /
расчетная,
эксперментальная.
расчетная, эксперм ентальная.
б
Рис. 8. Расчетные и опытные кривые ЭДС холостого хода ВД №1 (а) и ВД №2 (б)
На рис. 9 приведены расчетные кривые электромагнитного момента ВДПМ при нагрузке (ток I = 20 А; скорость вращения п = 3000 об/мин). Первая конструкция имеет среднее значение момента примерно 0,9, вторая -
0,8 Нм. Для второй конструкции характерен меньший уровень пульсаций.
Штатный коллекторный двигатель с оксидно-бариевыми постоянными магнитами типа МЭ272 (Рн = 100 Вт, пн = 2600 об/мин, и н = 12 В, I н = 19 А, масса 2,25 кг), устанавливаемый в российские автомобили, имеет номинальный момент на валу 0,37 Н-м [4]. Его КПД, очевидно, составит ^^9 = 0,44 .
1
3
С
Рис. 9. Электромагнитный момент ВДПМ при нагрузке (ток 1=20 А; скорость вращения 3000 об/мин): кривая 1 - г^12; 2 - 2у=6
Рассмотренные макетные образцы с массой 1350 и 1414 г при испытаниях на стенде со штатной нагрузкой потребляли ток не более 17 А.
Рис. 9 показывает, что при наличии тока в полуобмотках, протекающего в противофазе с их ЭДС, электромагнитный момент будет положительным (действующим в направлении вращения ротора) для первой конструкции при любом угловом положении ротора. Причем его минимальное значение составит примерно 0,2 Нм. Для второй конструкции имеются 6 интервалов за оборот шириной примерно 0,09 мех. рад. (5 мех. град.), на которых электромагнитный момент имеет отрицательный знак. Но эти угловые положения ротора, как видно из рис. 4 и 7, не совпадают с углами фиксации ротора при обесточенном статоре. Поэтому при подаче однополярного тока в соответствующую полуобмотку ротор начнет вращение в требуемом направлении.
Рис. 10 содержит расчетные мгновенные значения ЭДС полуобмоток в нагрузочном режиме (ток I = 20 А, скорость вращения п =3000 об/мин) на периоде их изменения. Следует отметить, что рабочие полуволны ЭДС второй конструкции имеют длительность более половины периода и на некотором временном интервале обе полуобмотки работают одновременно. Этим и объясняется меньший уровень пульсаций электромагнитного момента при нагрузке у этой конструкции.
Следует отметить, что приемлемый уровень реактивного электромагнитного момента, необходимый для фиксации ротора при обесточенном состоянии ВДПМ, обеспечивается в двух первых конструкциях за счет несимметричного расположения магнитов (полюсов) на роторе: разнополярные магни-
ты каждой пары полюсов придвинуты вплотную друг к другу. Как показывают расчеты, при раздвижении этих магнитов на одну треть их ширины, что эквивалентно углу (20/3) мех. градусов (при симметричном расположении всех магнитов угловое расстояние между ними составит 10 мех. градусов), максимум реактивного момента увеличивается с 0,25 до 0,4 Нм, а максимум нагрузочного момента - с 1,4 до 1,5.
Рис. 10. Кривые ЭДС полуобмоток статора ВДПМ при нагрузке (ток 1=20 А; скорость вращения 3000 об/мин): кривая 1 - г1=12; 2 - г1=6
Выводы:
1. Результаты численного моделирования макетных образцов однофазных ВД с постоянными магнитами методом сопряжения конформных отображений показали удовлетворительное приближение к опытным данным.
2. Разработанные однофазные ВД с постоянными магнитопластовыми неодим-железо-боровыми магнитами удовлетворяют техническому заданию по массо-габаритным показателям, потребляемому току и развиваемой скорости и не уступают по перечисленным параметрам штатному коллекторному двигателю постоянного тока.
Литература
1. Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами / Т. Кенио, С. Нагамо-ри; пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 184 с.
2. Афанасьев А.А. К расчету плоскопараллельных магнитных полей в нелинейных средах / А.А. Афанасьев, А.Н. Воробьев // Известия РАН. Сер. Энергетика. 1992. № 2. С. 77-91.
3. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах /А.В. Иванов-Смоленский М.: Высш. шк. 1989. 312 с.
4. Копылова И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / И.П. Копылова, Б.К. Клокова; под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова М.: Энергоатомиздат, 1989. Т 2. 688 с.
АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
AFANASYEV ALEXANDER ALEXANDROVICH - doctor of technical sciences, professor, management and computer science in technical systems department chairman, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
БЕЛОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ - старший преподаватель кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
BELOV VLADIMlR VLADIMIROVICH - senior teacher of management and computer science in technical systems chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
НИКОЛАЕВ АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет; ведущий специалист АКБ «Чувашкредитпромбанк» ОАО, Россия, Чебоксары ([email protected]).
NIKOLAEV ALEXEY VASILYEVICH - candidate of technical sciences, associate professor of management and computer science in technical systems chair, Chuvash State University; leading expert of Joint-stock commercial bank "Chuvashkreditprombank" of Open Society, Russia, Cheboksary.
