Вентильный реактивный двигатель SRM. Снижение пульсации момента.

Вентильный реактивный двигатель (switched reluctance motor SRM) является потенциальным кандидатом для использования его в качестве тягового двигателя электромобиля следующего поколения из-за его низкой стоимости, высокой эффективности, способности работать при высоких температурах и в других жестких условиях. Тем не менее, SRM имеют существенный недостаток – это пульсации вращающего момента, что может создавать неприятный шум в транспортных средствах. Компания Continuous Solutions использовала программное обеспечение ANSYS Maxwell для электромагнитного моделирования. В результате удалось снизить пульсации вращающего момента электрической машины на 90 процентов и общий шум на 50 процентов, что позволяет использовать SRM для электрификации транспортных средств сельскохозяйственной, горнодобывающей техники, а также для гражданского применения

Концепция коммутируемого реактивного двигателя (SRM) существует уже 180 лет, но до недавнего времени двигатели этого типа использовалась только в промышленных целях из-за сложной системы управления. За последние десять лет мощные микроконтроллерные интегральные схемы и вычислительно-интенсивные стратегии управления сделали SRM более жизнеспособными. Нерешенной проблемой является излучение SRM значительного шума во время работы, который недопустим в таких приложениях, как роскошные легковые автомобили, тактические транспортные средства и другие машины в суровых условиях эксплуатации.

Инженеры Continuous Solutions решают перечисленные проблемы, создавая виртуальные прототипы перспективных конструкций SRM в программном обеспечении моделирования электромагнитного поля ANSYS Maxwell. Алгоритмы управления для подавления пульсаций вращающего момента создаются и исследуются в симуляторе системного уровня ANSYS TwinBuilder, в качестве объекта управления выступает модель SRM в ANSYS Maxwell. Оптимизация пульсаций момента существенно снижает общий шум и вибрацию двигателя.

В итоге электрические машины SRM типа на 20 процентов дешевле, рабочие температуры на 50 процентов выше, чем у аналогичных двигателей с постоянными магнитами.

SRM

В основе работы SRM лежит магнитный поток. Магнитные поля аналогичны электрическому току и предпочитают путешествовать по пути наименьшего магнитного сопротивления потоку. Это объясняет, почему магнитные материалы с низким магнитным сопротивлением, такие как железо и сталь, имеют сильную тенденцию выравниваться с магнитным полем. На статоре SRM расположены концентрические обмотки фаз, а его ротор изготовлен из материала с низким магнитным сопротивлением с чередующимися зонами высокого и низкого сопротивления. При подаче напряжения на обмотку статора, магнитное сопротивление ротора создает силу, которая пытается выровнять полюс ротора, пик низкого сопротивления, с ближайшим полюсом статора. В SRM вращение поддерживается путем последовательного включения и выключения обмоток статора, таким образом, что каждое новое состояние магнитного поля статора вызывает поворот ротора.

Модель SRM в ANSYS Maxwell

Схема асимметричного мостового преобразователя и полученные формы кривых SRM

Ротор может быть изготовлен цельным стальным или набран из тонких стальных штамповок с выемками для магнитных полюсов. Отсутствие постоянных магнитов и обмоток на роторе делает SRM значительно дешевле в производстве чем обычные электродвигатели с постоянными магнитами. В роторе отсутствует токонесущие конструкции, поэтому нет необходимости в коммутаторах и обмотках якоря, как в двигателе постоянного тока, либо в короткозамкнутой обмотке из литого металла, как в асинхронном двигателе. Кроме того, отсутствие постоянных магнитов и обмоток ротора позволяет SRM работать при более высоких температурах окружающей среды, что очень важно в тяговых двигателях транспортных средств.

Пульсации момента

Одна из самых больших проблем при разработке SRM состоит в том, что индуктивность каждой фазы пропорциональна степени совмещения её с полюсами ротора. Избыточная вибрация и акустический шум возникают из-за структурной деформации и гармонических магнитных моментов, возникающих в результате взаимодействия статора и ротора. К этому добавляется относительное резкое изменение индуктивности в зависимости от положения ротора и нелинейного управления.

Результаты ANSYS Maxwell показывают зависимость потокосцепления и вращающего момента, как функции от положения ротора, при различной нагрузке

Эти взаимодействия проявляются как изменения вращающего момента, известные как пульсации вращающего момента. С точки зрения конструкции двигателя, например, дисбаланс в роторе или статоре, также могут вызывать пульсации вращающего момента. Все эти причины приводят к вибрации двигателя, которая создаёт акустический шум и сокращает срок службы механических узлов.

При разработке нового тягового двигателя целью Continuous Solutions являлось создание более дешевого двигателя и привода, которые могут работать при более высоких температурах, чем обычные двигатели с постоянными магнитами, в то же время достигая высоких показателей эффективности, плотности мощности и шума, равных двигателям с постоянными магнитами. Инженеры Continuous Solutions начали с использования собственной многоцелевой пользовательской программы оптимизации трехмерных магнитных эквивалентных цепей (MEC) для ускорения процесса исследования пространства проектирования и нахождения перспективных конструкций для дальнейшего исследования. Программа использует генетический алгоритм для изучения различных параметров конструкции, таких как высота зубца статора, ток возбуждения и число пар полюсов, итеративно улучшая цели проектирования, такие как повышение эффективности и уменьшение массы.

Моделирование SRM

Инженеры Continuous Solutions разработали детальные модели перспективных вариантов SRM, определенных программой оптимизации в ANSYS Maxwell. Использовался шаблонно-ориентированный инструмент проектирования RMxprt для быстрого определения геометрии двигателя. Вместо того чтобы рисовать компоненты двигателя, использовались возможности параметрического проектирования в RMxprt для определения магнитной системы SRM: количество полюсов и обмоточные данные и т.д. Корпус двигателя также добавляется к модели с помощью стандартных инструментов.

Векторный график магнитной индукции в сечении SRM

Трехмерная геометрическая модель автоматически создаётся в ANSYS Maxwell для детального анализа магнитного поля методом конечных элементов. Модель содержит все необходимые настройки: движение ротора, механическая нагрузка, коэффициенты потерь в шихтованных стальных пакетах, обмотки фаз, схема управления и многое другое. ANSYS Maxwell рассчитывает рабочие характеристики: вращающий момент в зависимости от скорости, потери мощности, индукция в воздушном зазоре, коэффициент мощности и КПД. Максвелл подготовил отчет о крутящем моменте, который показал вращающий момент двигателя в ньютон-метрах как функцию угла поворота. Для более детального диагностического рассмотрения график магнитной индукции строится в поперечном сечении ротора и статора в ключевые моменты, когда вращающий момент достигает своих экстремумов. Графики показывают, что одним из основных источников шума был является, сжимаемый к ротору силами притяжения, действующими на каждую пару полюсов. Решением этой проблемы может стать усиление статора, но это увеличивает стоимость и вес двигателя.

Разработка системы управления

Вместо того, чтобы искать конструкционное решение для минимизации пульсаций момента, вибрации, Continuous Solutions разработали алгоритм управления для подачи тока в обычно неактивные обмотки в точное время, чтобы нейтрализовать отклоняющиеся векторы силы от активных полюсов. Они разработали алгоритм управления в своих собственных аналитических инструментах и встроили его в обычный инвертор SRM, собранный в ANSYS TwinBuilder. Инвертор в TwinBuilder был подключен к модели двигателя ANSYS Maxwell, рассматривалось взаимодействие SRM со схемой управления с разработанным алгоритмом. Детальные графики нестационарного режима позволили инженерам Continuous Solutions сгладить колебания вращающего момента: как только ротор SRM собирается дергаться влево, контроллер вводит сигнал для рывка вправо, подавляя сопротивление движению в нужном направлении, удаляя волну пульсаций вращающего момента.

Контроллер Continuous Solutions 100kW SRM MILSPEC с технологией снижения пульсаций вращающего момента

Была усовершенствована как конструкция двигателя, так и алгоритм управления, пока интегрированный двигатель и алгоритм управления не достигли всех поставленных целей. Такой подход позволил за несколько итераций завершить проектирование.

Инженеры Continuous Solutions создали и испытали прототип новой конструкции двигателя. Производительность соответствовала результатам моделирования. Кроме того, для непрерывного производства компания Continuous Solutions заключила стратегическое партнерство с Nidec Motor Corporation, чтобы сделать эту технологию коммерчески доступной. Новый двигатель на 20-50 процентов дешевле, работает на 50 процентов более высоких температурах, чем похожие двигатели с постоянными магнитами, предлагая сопоставимую эффективность, плотность мощности и шумовые характеристики.