Торцевой асинхронный двигатель для мотор-колеса легкового электромобиля

В В Е Д Е Н И Е Актуальность работы. Проблема электромобиля насчитывает почти 100-летнюю историю. В наиболее развитых странах она приобрела государственное значе ние и решается в рамках национальных программ. Первые электромобили появились в I88I году [12 когда на чался период промышленного освоения первых свинцово-кислотных аккумуляторов, в последующие годы вьгауск электромобилей продолжался, однако примерно к 1920 году автомобиль с двигателем внутреннего сгорания окончательно вытеснил электромобиль. Одной из причин, вызвавших падение интереса и служащей пре пятствием к широкому распространению электромобилей вплоть до последнего времени, является отсутствие энергоемких источников питания. Разработанный на заре электромобилестроения свинцово-кислотный аккумулятор и поныне является единственным реальным (по стоимостным характеристикам) источником энергии для электромобилей, хотя его показатели по современным требованиям нельзя считать приемлемыми. Это привело к тому, что во всех наиболее развитых странах мира ведутся интенсивные работы по усовершенствованию свинцово-кислотных аккумуляторов, в результате чего современные аккумуляторные батареи этого типа уже имеют удельную энергоемкость до 40 Вт/кГ и средний срок службы 700 циклов. ч В последнее время большие усилия исследователей сосредоточены на новых типах аккумуляторов, основными из которых считаются никель-цинковые, никель-железные, хлорцинковые, натриево-серные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, литий-хлорные, литий-водные, литий-серные. Р1х характеристики приведены в табл. В-1.Таблица B-I Тип батареи I Свинцово-кислотная Никель-кадмиевая Никель-железная Никель-цинко вал Серебряно-цинковая Цинк-хлорная Цинк-воздушная Натрий-серная Литий-серная Удельная энергоемкость Ът"ч/кГ Достигнутая Ожидаемая 2 3 33 33 22 55 88 100 66 150 ПО 55 55 55 77 165 165 165 220 220 Срок службы при разряде на 50 циклы 4 1000 3000 1000 2000 200 150 250 100 Наиболее перспективные из них по характеристикам (натрий-серные батареи) достаточно дорогие. Если удасться довести их срок службы до 2000 циклов, то стоимость таких батарей станет соизмеримой со стоимостью свинцово-кислотных ак1ьогляторов[ 78J В последнее время появились сообщения о создании фиряой Ш} and bJibttin nduittUs f8iJ цинкхлорной батареи, применение которой может сделать широкое внедрение электромобиля делом ближайшего будущего. Экспериментальная установка с этими батареями проработала 1400 циклов (заряд-разряд) и обеспечивает запас хода электромобиля около 330 км. Имеются сведения о разработке улучшенных аккумуляторных батарей ц[р1[ которые, несмотря на повышенную стоимость (на 12), экономят около 35 суммарных расходов на их приобретение и эксплуатацию [87J Несмотря на достижения в разработке новых типов аккумуляторов, их высокая стоимость и недостаточная надежность еще не позволяет применять их в электромобилестроении. Основное место остается пока за свинцово-кислотным аккумулятором. К началу 70-х годов в мире насчитывалось около миллиона электромобилей, причем, в основном, они использовались в сфере коммунального обслуживания крупных городов, почтовых ведомств, железнодорожных станций и аэропортов, больничных комплексов это микроэлектробусы, фургоны, пикапы и прочие специальные машины. Эти электромобили имели небольщую максимальную скорость (304−35 км/час) и ограниченный запас хода (60−65 км) [9] а работы по их созданию носили, в основном, рекламный характер. Стремительный рост мирового автомобильного парка (в среднем на 5-f8 в год) существенно обострил проблему загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. Автомобили (около 300 млн.шт., из них 70 легковых) теперь выделяют основную долю вредных веществ (около 90 всего выделяемого углерода, до 10 углеводородов и почти 100 соединений свинца) и в сильной степени загряз няют атмосферу (особенно городов). Например, в Москве за 10 лет (1954;1964 гг.) выделение автомобилями углерода увеличилось в 3 раза [80 Проблема борьбы с загрязнением воздуха вредными отработанными газами автомобилей настолько актуальна, что больший ство высокоразвитых в промышленном отношении стран (СССР, США, Англия, Япония и ряд других) вынуждены были принять законодательные меры, ограничивающие содержание примесей в отработанных газах. Однако мероприятия по выполнению норм токсичности требуют значительных затрат при одновременном ухудшении ряда важнейших эксплуатационных показателей: снижается приемистость на 7-fIO снижается топливная экономичность, затрудняется запуск машины, а большая сумма затрат по уменьшению токсичности автомобилей существенно увеличивает стоимость самих автомобилей и их эксплуатации. Известно, что высокий уровень щума автомобилей, особенно в районах перекрестков с интенсивным движением, вызывает необходимость перепланировки марпрутов автомобильных перевозок, как правило, в ущерб их экономичности. Таким образом, комплекс мероприятий, направленный на уменьшение токсичности выбросов автомобилей, повышения их экономичности и ограничение уровня шумов требует, значительных затрат и приводит к снижению технического уровня автомобилей. Одним из путей решения задачи очистки городского воздуха является широкомасштабное создание экологически чистого транспорта, а именно легкового и большегрузного электротранспорта[ 17,28-J Другим импульсом к развитию электромобилестроения в наше время считается повышенный дефицит жидкого топлива и увеличение стоимости нефтепродуктов. Известно, что относительная дешевизна добычи нефти, удобство транспортировки и ее использования привели к тому, что в настоящее время более 40 потребностей человечества в энергии удовлетворяется за счет нефти, основными потребителями которой (около 37 являются автомобили [78J Однако запасы нефти ограничены, и по подсчетам экспертов добыча ее после 2000 года начнет сокращаться и к 2050 году запасы нефти на земном шаре будут практически исчерпаны, в то время как только в США можно экономить ежегодно около III млн. м® нефти, если 25 пробега всего автотранспорта сменить на электромобили (Электротехническая промышленность, 2, 1982 г., с.11−14). Замена же нефти, как основного источника энергии для автомобилей углеводородным топливом, получаемым из угля и сланца, пока не дает ощутимых результатов из-за узгдтения параметров обычных двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, стоимость производства спиртов (метанола и этанола) еще высока, а их меньшая теп лотворная способность требует увеличения емкости баков (для метанола почти в 2 раза, этанола на 50 что служит еще одним препятствием применению их в автомобилях. Этим объясняется, что разработка и широкий переход на электрифицированный транспорт стал рассматриваться как реальный цуть решения двух проблем очистки городского воздуха и снижения уровня потребления жидкого топлива. Посколыог достоинства электромобиля очевидны, проблема их создания имеет международный характер и ее решение ведется по комплексным национальным программам. Например, правительство США санкционировало ускоренную разработку и эксплуата цию этого вида транспорта под патронажем Министерства энергетики США [75 J В СССР проблемам электромобилестроения уделяется особое внимание. Партией и правительством намечены широкие перспективы развития электрифицированного транспорта, в том числе электромобилей малой грузоподъемности. Уже в текущем пятилетии решениями ХХУ1 съезда КПСС намечено «создать конструкции и начать производство малотоннажных грузовых электромобилей с эффективными источниками тока для внутригород ских перевозок». В Советском Союзе, как и за рубежом, наибольшее распространение получил малотоннажный электротранспорт, а также большегрузные карьерные электрифицированные самосвалы и автопоезда. Еще в 1952 г. в Ленинграде для перевозки почты использовалось около 10 электромобилей ЛАЗ-НАМИ. В последующие годы интерес к электромобилю снизился 17,79] но уже в 1975 году усовершенствованные образцы электромобилей проехали по Красной площади. Сегодня в Москве на предприятиях Мосавтотранса работает несколько десятков электромобилей, к концу пятилетки их число достигнет четырехсот 93 Запас хода этих электромобилей в режиме городского движения около 50 км. Это малотоннажные электромобили, которые производятся на базе серийных моделей заводами УАЗ, ЕРАЗ, РАФ. В основном, в опытной эксплуатации находятся электромобили Ереванского и Ульяновского завода, а в текущем году ожидается появление электромобилей Волжского Автозавода, опытный образец которого (электромобиль-грузовик) выпущен на базе шасси автомобиля «Жигули». Там же создан образец электромобиля-фургона особо малой грузоподъемности BA3−280I. Электромобиль отличается высо кими динамическими качествами, простотой в управлении и имеет при постоянной скорости 60 км/час запас хода 122 км (в режиме город ского движения 95 км). На очереди появление легкового пассажирского электротранспорта. За рубежом (США, Япония и др.) ведущие автомобильные фирмы приступают к производству небольших легковых пассажирских электромобилей. CktUbhl и создали экспериментальный электромобиль [94,108] обладает достаточно Е Г!/" «f предназначенный для серийного производства в середине 80-х годов. Электромобиль iJl-i высокими эксплуатационными характеристиками (максимальная скорость около 100 км/час и запас хода 115 км) и отвечает всем требованиям безопасности. Аналогичными работами (по созданию легковых электромобилей) занимаются и другие зарубежные фирмы. В СССР решением проблем разработки легковых электромобилей в настоящее время занят ряд ведущих организаций и ВУЗов страны, в том числе заводы ВАЗ (г.Тольятти), РАФ (г.Рига), УАЗ (г.Ульяновск), НАМИ, МАИ, МАДЙ, ВНИИЭМ (г.Москва), Е Р Ш (г.Ереван) и ряд других. Пионером создания мотор-колесных электротрансмиссий переменного тока для легковых электромобилей в СССР является объединение АвтоВАЗ (г.Тольятти). Использование мотор-колесного варианта в электротрансмиссии легкового электромобиля существенно затруднено, так как с уменьшением единичной мощности двигателя падает использование его активного объема и ухудшаются энергетические характеристики II электрической машины. Требуется разработка нетрадиционных конструкций тягового асинхронного электродвигателя, который при работе в системе автономного электропривода с частотно-токовым управлением, помимо удовлетворения жестким компоновочным и массо-габаритным требованиям, должен обладать высокими энергетическими по казателями и обеспечивать существенные перегрузки по моменту валу мотор-колеса в пусковых режимах. Наиболее полно этому комплексу требований удовлетворяет торцевой асинхронный двигатель (ТАД) с повышенным уровнем использо вания активных обмоточных зон, созданных на основе патентоспособной конструкции статора с активным распределенным слоем. на Исследованию новых торцевых электродвигателей и посвящена настоящая диссертация, которая является самостоятельной частью комплекса НИР, проводимых НЭТИ в содружестве с объединением АвтоВАЗ, по разработке патентоспособной мотор-колесной электротранс миссии отечественного легкового электромобиля, выполняемых в со ответствии с постановлением ГКНТ СССР 188 от 18.04.74 и по за Данию зне) Минщза РСФСР. Целью диссертационной работы является обоснование конструк ции, разработка элементов теории и создание методики электромаг нитного расчета по результатам исследования электромагнитного поля в активном объеме ТАД. В настоящее время при исследовании электромагнитного поля в электрических машинах используется типа объемной аппроксимации ее активных зон. Изобретение НЭТИ „Беспазовый статор электрической машины“. Авт.свид.СССР 278 836 кл. Н02 3/04 опубликовано Б.И. 26, 1970 г. охраняется патентами США 3 4 У 5 1 1 4 Великобритании 231 213, Франции 2 036 866. **Письмо Главного управления научно-исследовательских работ Минвуза РСФСР II-35−260/II-I8 от I9.IT.76 г.» Об отнесении научно-исследовательских работ НЭТИ по созданию элементов электротрансмиссии легкового электромобиля к важнейшей тематике" два Первая состоит в замене действительных обмоток, размещенных в пазах статора и ротора, эквивалентными токовыми настилами, расположенными на гладких ферромагнитных поверхностях, образующих воздушный зазор. Такая аппроксимация [33,45,86J позволяет с необходимой точностью определить электромагнитное поле в воздушном зазоре, но не учитывает электромагнитных процессов в ярмах и зубцово-пазовых областях электрической машины. Вторая объемная аппроксимация электрической машины заключа ется в замене характерных, с точки зрения электромеханического преобразования энергии и конструкции активных зон электрической машины, сплошными средами с усредненными физическими характери стиками. Усреднение параметров реальных сруктур электрических машин влияет на распределение полей как в активной зоне машины, так и за ее пределами, однако опыт исследования электромагнитных полей в электрических машинах с распределенными обмоточными структурами [l4,26,27,37,39,40,42,5I, 56,58,62,90j с использованием принципов эквивалентирования показал, что замена конструктивных зон машины ортотропными средами не приводит к заметным ошибкам при определении дифференциальных характеристик электромагнитного поля, но позволяет повысить точность расчета интегральных параметров электрической машины. При большом количестве ортотропных зон, неизбежно получающихся при учете конечной магнитной проницаемости стали Msirнитопровода Mctniос), необходимо решать громоздкую систему уравнений относительно постоянных интегрирования, входящих в уравнения поля. Полученные соотношения имеют сложный вид, затрудняющий их качественный анализ. Метод схемной аппроксимации объемов, занятых электромагнит ным полем [36]Е-Н схемами замещения, лишен этих недостатков и позволяет получить E-H четырехполюсники для любой активной области электрической машины без отыскания постоянных интегрирования. В соответствии с граничными условиями четырехполюсники стыкуются в каскад, образуя цепную Е.-Н схему замещения. Последняя дает возможность анализировать электромагнитное поле во всем активном объеме электрической машины. Аналитическая зависимость параметров Е-Н звеньев от геометрических размеров и характеристик материала активных сред позволяет осуществить многофакторную оптимизацию электрических машин. При исследовании электромагнитных полей в электрических машинах с помощью ортотропных моделей не учитывались зубчатости ферромагнитных поверхностей, обращенных к воздушному зазору. В торцевых электрических машинах с АРС, кроме зубчатости, образованной ферромагнитными элементами катзгшечных групп активного слоя, существует конструктивная неоднородность зубцовой зоны статора вдоль координаты о/ обусловленная наличием межкатушечного промежутка. Это обстоятельство приводит к существенной магнитной неоднородности зоны вдоль этой координаты, зависящей от величины магнитного потока, менякяцегося в широком диапазоне при частотно-токовом управле НИИ асинхронной машины. Необходимо решение задачи о распределении электромагнитного поля в локально-неоднородной зубцовой зоне ста тора и изотропной среде воздушного зазора. Такие задачи решаются методами, обоснованными и развитыми в ряде работ Г 3,4,24,38,39,46 J Среди них численные методы, базирующиеся на использовании вычислительной техники, и аналитические. Численные методы расчета полей в зубцовых зонах электрических машин дают возможность количественной оценки компонент неоднородных полей с учетом магнитного сопротивления стали, но требуют применения мощных вычислительных машин с большой памятью и быстродействием. Для качественного анализа влияния различных факторов на компоненты поля необходим непосредственный диалог с ЭВМ. Среди аналитических методов при соответствукщих доцущениях наибольшее применение имеют метода.

Основные результаты настоящей работы сводятся к следующему: обоснована конструкция и разработаны элементы теории торцевых асинхронных электродвигателей с распределенным активным слоем статора, в частности:

1. Для торцевой асинхронной машины с нетрадиционным статором определена математическая модель в виде системы комплексных уравнений Максвелла, описывающих осесимметричное электромагнитное поле в активном объеме машины, представленном совокупностью сплошных ортотропных сред, соразмерных с ее основными конструктивными зонами. При этом каждая конструктивная зона при насыщении стальных элементов считается условно-нелинейной средой, а ее конструктивные особенности учитываются усредненными параметрами этой среды. Существенно, что математическая модель с учетом сформулированных условий на границах ортотропных зон, представляется адекватной «% цепной Е-Н схемой замещения активного объема машины, определяющей электромагнитное поле в моделируемых зонах машины при квазиустано-вившихся значениях синусоидальной плотности тока статора и момента на валу двигателя.

2. На основе полевой Е-Н цепной схемы синтезированы математизамещения ТДЦ, аналитически определяющие основные характеристики и параметры тягового электродвигателя в квазиустановившихся режимах регулирования его частоты вращения.

3. Впервые решена двухмерная задача, устанавливающая на основе метода кусочно-непрерывных функций закономерность изменения магнитного поля в зоне с существенно неоднородным ферромагнитным наполнением и прилегающей к ней изотропной немагнитной среде. Полученное ческие модели в виде электрических условно-нединейных схем решение, имеющее самостоятельный характер, использовано для уточнения схемы замещения регулируемого ТАД при существенном насыщении обмоточной зоны АРС статора, имеющем место в режимах разгона электромобиля.

4. Разработана методика электромагнитного расчета частотно-регулируемых торцевых асинхронных электродвигателей с распределенным активным слоем статора, позволяющая осуществлять оптимизационные расчеты электродвигателей по различным критериям.

5. Выполнены расчет, проектирование и изготовлены опытные образцы ТАД, установленные в мотор-колесах на автомобиле-носителе, экспериментальные исследования которых, проведенные в НЭТИ и на Волжском автомобильном заводе, подтвердили достаточную для практики сходимость расчетных и опытных данных.

6. Методика электромагнитного расчета частотно-регулируемых ТАД с распределенным активным слоем статора передана отделу электромобиля Волжского объединения АвтоВАЗ и используется для проектирования торцевых электродвигателей мотор-колес легковых электромобилей, при этом условный экономический эффект составляет.

613 288 руб.

Заключение

.