Автоматизований синтез вентильно–реактивних двигунів малої потужності

Abstract

The dissertation provides insight into the synthesis of low power switched reluctance motors with the use of purposely designed SRM-CAD specific software. The circuit-field mathematical model considering losses in steel is developed in this dissertation. The proposed models form the basis for SRM-CAD software of automated analysis, synthesis and optimization development. The developed system is invariant to a number of designs of SRM electromechanical converter (EMC) that makes it possible to change EMC structure and put into practice its optimal choice in the process of designing. The parameterization of SRM EMC geometry is used for the efficient change of the structure. The use of SRM-CAD system makes it possible to implement the solving of the main design tasks: from the technical requirement to calculation of dynamic and quasistable operational modes as well as verification of the thermal state of SRM EMC with the aid of circuit-field mathematical models. The system is implemented in a compiled high-level language significantly speeding up the time of the calculation of transients in comparison with the implementations based on MatLab Simulink, LabView and MathCad systems. The pilot study prototypesinstantiated the compliance of the developed mathematical model. The method of calculation of SRM stationary thermal field with the aid of the finite element method which makes it possible to consider the real geometry features is proposed. The results of the comparison of physical experiment and mathematical modeling of the stationary thermal field agree within five percent. This indicates the high precision of the developed mathematical models. The configuration of the pole area of the four-phase SRM EMC with 8/6 stator poles numbers to rotor poles numbers ratio is determined. It is recommended to use an area with parallel walls on stator and rotor. The optimization of the four-phase SRM EMC of 8/6 design poles configuration is implemented. By so doing, the pole arcs make up 0.63 S  о.е. for stator and R  0.35 о.е. for rotor. The maximum average moment is provided exactly at these values. The optimal stator and rotor pole arcs for three-phase EMC of 6/4 configu- ration providing the maximum average moment at the period of switching are determined. The recommended pole arcs are 0.63 S  о.е. for stator and 0.42 R  о.е. for rotor. The possibility of improving of SRM working properties and energy characteristics due to the expansion and displacement of the switching area is shown. By so doing, a significant gain in the form of increase of efficiency factor (on average by 12%) and simultaneous reduction of torque ripples (on average by 23%) is obtained.

Дисертація присвячена синтезу вентильно-реактивних двигунів малої потужності з використанням розробленого спеціалізованого програмного забезпечення SRM-CAD. У дисертації розроблена коло-польова ММ, яка враховує втрати у сталі, для розрахунку динамічних і квазіусталених режимів роботи ВРД. Застосування математичних моделей на базі чисельних методів аналізу магнітного поля дозволяє врахувати реальну геометрію та рівень насичення феромагнітних матеріалів, який властивий ЕМП ВРД. Запропоновані моделі є основою для розробки програмного забезпечення автоматизованого синтезу ВРД SRM-CAD. Розроблена система інваріантна до ряду конструктивних виконань ЕМП ВРД, що дозволяє в процесі проектування варіювати структуру ЕМП та здійснювати її оптимальний вибір. Для оперативної зміни структури використовується параметризація геометрії ЕМП ВРД. Використаннясистеми SRM-CAD дозволяє виконувати розв’язок основних проектних задач: від технічного завдання до розрахунку динамічних та квазіусталених режимів роботи, а також здійснювати перевірку теплового стану ЕМП ВРД, застосовуючи польові ММ. Система реалізована на компільованій мові високого рівня, що суттєво прискорює час розрахунків перехідних процесів у порівнянні з реалізаціями, які базуються на системах MatLab Simulink, LabView, MathCad, тощо. Експерименти на макетних взірцях підтвердили адекватність розробленої ММ. Запропонована методика розрахунку стаціонарного теплового поля ВРД з застосуванням МКЕ. Порівняння результатів фізичного експерименту та математичного моделювання стаціонарного теплового поля збігаються з точністю до п’яти процентів. Це свідчить про достатню точність розробленої ММ теплових полів. Визначена конфігурація активної зони чотирифазного ЕМП ВРД класичної конструкції з співвідношенням чисел полюсів статора до ротора 8/6. Рекомендується застосовувати активну зону з паралельними стінками полюсів на статорі і роторі. Виконана оптимізація конфігурації активної зони чотирифазного ЕМП ВРД конструкції 8/6. При цьому коефіцієнти полюсного перекриття складають для статора 0.63 S  в.о., для ротора 0.35 R  в.о. Саме при цих значеннях забезпечується максимальний середній момент на періоді комутації. Також визначено оптимальні коефіцієнти полюсного перекриття статора і ротора, для трифазного ВРД конфігурації 6/4, при яких забезпечується максимальний середній електромагнітний момент на періоді комутації. Рекомендовані коефіцієнти полюсного перекриття для статора 0.63 S  в.о., для ротора 0.42 R  в.о. Показана можливість покращення робочих властивостей та енергетичних характеристик ВРД шляхом розширення та зсуву зони комутації в бік випередження кута вмикання. При цьому забезпечується значний виграш у вигляді збільшення ККД, в середньому на 12 % та одночасному зниженні пульсацій моменту, в середньому на 23 %.

Диссертация посвящена синтезу вентильно-реактивных двигателей малой мощности с применением созданного специализированного программного обеспечения SRM-CAD. В диссертации разработана цепно-полевая математическая модель, учитывающая потери в стали, для расчета динамических и квазиустановившихся режимов работы ВРД. Применение математических моделей на базе численных методов анализа магнитного поля позволяет учесть реальную геометрию и уровень насыщения ферромагнитных материалов, который свойственен электромеханическому преобразователю (ЭМП) ВРД. Предложенные модели являются основой для разработки 19 программного обеспечения автоматизированного анализа, синтеза и оптимизации ВРД SRM - CAD. Разработанная система инвариантна к ряду конструктивных исполнений ЭМП ВРД, что позволяет в процессе проектирования варьировать структуру ЭМП и осуществлять ее оптимальный выбор. Для оперативного изменения структуры используется параметризация геометрии ЭМП ВРД.