ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 03.08.2011. Ред. рег. № 1097 The article has entered in publishing office 03.08.11. Ed. reg. No. 1097
УДК 621.313.2
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С АКСИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ
С.А. Ганджа
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: +79088125819, факс: (351) 2647694, e-mail: gandja.sergey@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 20.08.11 Заключение совета экспертов: 25.08.11 Принято к публикации: 30.08.11
Описан программный комплекс проектирования электрических машин с аксиальным зазором, в котором используется многоуровневая оптимизация для широкого класса конструктивных модификаций. Комплекс ориентирован на сквозную технологию проектирования электроприводов этого класса.
Ключевые слова: вентильный электропривод, вентильные машины с аксиальным зазором, многоуровневая оптимизация, сквозная технология.
OPTIMAL DESIGNING OF BRUSHLESS AXIAL GAP ELECTRICAL MACHINES
FOR LOW POWER WINDMILLS
S.A. Gandzha
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: +79088125819, fax: (351) 2647694, e-mail: gandja.sergey@gmail.com
Referred: 20.08.11 Expertise: 25.08.11 Accepted: 30.08.11
The program complex of brushless axial gap electrical machines designing is described. In program complex is used the multilevel optimization for a wide class of constructive types.
Keywords: brushless electric drive, brushless axial gap electric machine, multilevel optimization.
Сергей Анатольевич Ганджа
Сведения об авторе: доцент кафедры электромеханики и электромеханических систем Южно-Уральского государственного университета, канд. техн. наук.
Область научных интересов: разработка вентильных электрических машин. Публикации: 52.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Введение
Отечественная и зарубежная практика показала, что для ветроэнергетических установок малой и средней мощности эффективным является применение синхронных машин с постоянными магнитами. В настоящее время они составляют перспективу развития для ветроэнергетических установок этого класса.
Традиционно для этих целей применяются вентильные машины с радиальным магнитным потоком. В настоящее время все чаще для этого диапазона мощностей используются вентильные машины с аксиальным магнитным потоком (ВМАП) [1].
Объяснить это можно следующими объективными причинами:
- в настоящее время интенсивное развитие получило промышленное производство мощных магнитов с большими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы, что позволило сконцентрировать преобразование энергии в малых объемах;
- современное развитие вычислительных средств и специального программного обеспечения позволяет оптимизировать геометрию ВМАП для эффективного использования занимаемого ими габарита;
- все больше появляется приводов, где ограничение габаритов позволяет применить приводы только этого класса.
Следует отметить, что, несмотря на острую необходимость практического внедрения, теоретические исследования по анализу и синтезу электрических машин этого класса носят эпизодический, разрозненный характер. Как правило, разработчики анализируют одну конструкцию для специального привода. Результаты этих исследований достаточно сложно трансформировать на другой конструктивный тип. Оптимизации подвергаются только отдельные узлы и детали, например, статор или ротор. Методики проектирования слабо ориентированы на разработку систем автоматизированного проектирования и так называемую сквозную технологию с минимальным объемом документооборота. Теоретические исследования отстают от потребностей практики.
Следовательно, следует признать важными и актуальными научные работы по проектированию электрических машин этого класса.
Постановка задачи
При проектировании ВМАП следует учитывать существующие направления развития в электромашиностроении. Одно из таких направлений - так называемое сквозное проектирование электромеханических устройств, которое ориентировано на безбумажную технологию оформления документации при разработке, производстве и испытании изделия. Следует понимать, что создание такой системы представляет собой перспективу развития, но уже сейчас при анализе и синтезе ВМАП эти направления необходимо учитывать.
Сформулируем основные требования к системе автоматизированного проектирования ВМАП, ориентированной на сквозную технологию.
Во-первых, такая система должна включать все основные конструктивные исполнения этих приводов. Конструктивные модификации ВМАП достаточно подробно описаны в [2]. При этом расчетные модели должны в себя включать:
- режим работы (генераторный, двигательный);
- форму постоянных магнитов (круглую, прямоугольную, сегментную), возможность использовать магнитные материалы с разными свойствами;
- форму обмоточного провода (круглую, прямоугольную), различные свойства проводникового материала (алюминий, медь);
- возможность изменять число фаз, тепловые режимы.
Условно назовем реализацию этих возможностей системы проектирования «развитием по горизонтали».
Во-вторых, при определении оптимальной геометрии ВМАП в систему проектирования необходимо ввести различные уровни оптимизации. Рассмотрим это требование более подробно. В классической постановке задача однокритериальной оптимизации формулируется следующим образом: для заданных констант и ограничений необходимо выбрать независимые переменные таким образом, чтобы показатель качества имел минимальное или максимальное значение. Как правило, независимыми переменными являются размеры, которые однозначно определяют геометрию изделия. Если мы при поиске оптимума изменяем все независимые переменные, то мы решаем самую сложную задачу полной габаритной оптимизации. Но достаточно часто возникают проектные ситуации, при которых некоторые размеры или группа размеров должны быть фиксированными. Например: задан наружный или внутренний диаметр при встраивании изделия, заданы габариты и так далее. При этих проектных ситуациях мы имеем уровни частичной оптимизации. При частичной оптимизации может измениться критерий качества. Из практики можно выделить следующие уровни оптимизации:
- полная оптимизация;
- оптимизация при фиксированном числе пар полюсов;
- оптимизация при фиксированном наружном диаметре;
- оптимизация при фиксированном внутреннем диаметре;
- оптимизация при фиксированной наружной длине;
- оптимизация при фиксированном наружном и внутреннем диаметрах;
- оптимизация при фиксированных габаритах;
- оптимизация при заданных размерах магнита.
Крайний случай при фиксации всех независимых
переменных приводит к поверочному расчету, который вписывается в систему оптимизации как последний уровень.
Возможность реализации различных уровней оптимизации условно назовем «развитием по вертикали».
В-третьих, система проектирования должна позволять реализовывать комплексный подход при анализе и синтезе ВМАП. В полной мере эти возможности позволяют реализовать следующие программные комплексы, которые можно встроить в систему проектирования:
- программный комплекс Ansys, реализующий анализ магнитных и тепловых полей по методу конечных элементов;
- графическая среда для трехмерного твердотельного моделирования Solidworks;
- программный комплекс моделирования электронных схем Microcap или аналогичные ему.
Следует отметить, что реализация названных требований не закрывает все проблемы, связанные с проектированием ВМАП. Поэтому система проектирования должна быть открытой и позволять как достраивать ее структуру, так и постоянно ее совершенствовать.
Краткое описание программного комплекса
При активном участии автора и ряда коммерческих структур разработан программный комплекс проектирования ВМАП в среде Delphi, который удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Программный комплекс включает в себя 16 уровней оптимизации для 20 конструктивных исполнений,
охватывая тем самым 320 проектных ситуаций. Диаграмма проектных ситуаций представлена на рис. 1.
Фрагменты интерфейса этой системы приведены на рис. 2.
Рис. 1. Диаграмма проектных ситуаций Fig. 1. Diagram of project situations
Рис. 2. Интерфейс программного комплекса Fig. 2. Interface of software package
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 3. Анализ магнитного поля в среде Ansys Fig. 3. Analysis of the magnetic field in Ansys
l
IJODAL SOI
STEP=1
SUB -1 TIMB-1 TOP RSYS-0 SHW «36. ■■ SMX -100.
П
36. Axial Cap
Рис. 4. Анализ теплового поля в среде Ansys Fig. 4. Analysis of the thermal field in Ansys
Рис. 5. Трехмерное твердотельное моделирование в среде Solidworks Fig. 5. Three-dimensional solid modeling in Solidworks
Рис. 6. Анализ схемотехнических решений в программной среде Microcap Fig. 6. Analysis of the circuit design in Microcap
К программному комплексу подключены взаимосвязанные стандартные программные пакеты ЛшуБ, Solidworks, Мюгосар для анализа магнитных и тепловых полей, трехмерного твердотельного моделирования, отладки электронных схем. Фрагменты анализа с применением этих пакетов приведены на рис. 3-6.
Программный комплекс прошел апробацию при разработке около 20 проектов. Среди них:
- генератор для ветроэнергетической установки на 1 кВт и 3 кВт (рис. 7);
- генератор для самолета мониторинга окружающей среды (рис. 8);
- высокоскоростной электродвигатель для экологически безопасного холодильного агрегата (рис. 9).
Рис. 7. Ветроэнергетическая установка 3 кВт Fig. 7. Wind Turbine 3 kW
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 8. Беспилотный самолет мониторинга окружающей среды Fig. 8. Robot plane for environmental monitoring
Рис. 9. Двигатель для высокоскоростного экологически безопасного холодильного агрегата Fig. 9. The engine for high-speed environmentally safe refri
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.