Разработка вентильно-индукторных двигателей для легких электрических транспортных средств

Современная цивилизация выдвигает новые требования к транспортным средствам. С ростом городов, с увеличением числа населения на первый план выходит проблема загрязнения окружающей среды. Становится актуальным требование к снижению потребления топливных ресурсов транспортными средствами. Основой развития мирового общества является научно-технический прогресс, который представляет собой процесс получения и материализации новых научных знаний, связанных с разработкой и совершенствованием прогрессивных технологий, созданием новой техники и новых конструкционных материалов, освоением нетрадиционных источников энергии. Создаваемая и совершенствующаяся на основе научно-технического прогресса экономика государств не может идти по пути пропорционального увеличения расходования природных ресурсов, сопровождающемся увеличением вредного воздействия на окружающую среду. В соответствии с программами, объединяющими усилия промышленно развитых стран в решении проблем снижения вредных выбросов, принятый в Киото Протокол и связанные с ним кардинальные решения предполагают использование альтернативных видов топлива и новых типов электрических (комбинированных) источников энергии при конструировании, технологиях и производстве транспортных систем.

За последнее десятилетие в США, Европе и странах азиатского региона бурно развивается рынок электрических транспортных средств. Данный рынок состоит из нескольких сегментов. Первый сегмент рынка это электромобили (см. рис. 1.1, 1.2). — транспортные средства, оборудованное тяговым электроприводом и источником энергии, в качестве которого могут служить аккумуляторные батареи, электрохимические генераторы, например топливные элементы различных типов. В настоящее время электромобиль перестал быть экзотическим примером транспортного средства. Во многих развитых странах в последние несколько лет происходят буквально революционные изменения в этой области транспортных средств. Накоплен опыт эксплуатации электромобилей, в том числе в крупных регионах (например, демонстрационные проекты внедрения электромобилей в Мендризио, Швейцария, в Калифорнии, США). Активно формируется рынок электромобилей, развиваются инфраструктуры их продажи, сервиса и обслуживания. По данным [15] в Западной Европе в 1998 г. в эксплуатации находилось около 15 тыс. электромобилей, в 1998 г. их выпуск составлял около 10 тыс. шт. В Азии ежегодно на рынок попадали по 3−5 тыс. электромобилей. В США в ближайшее десять лет ожидается использование свыше 3 млн. электромобилей.

Рис. 1.1. Рис. 1.2.

Проблема, не позволяющая электромобилям вытеснить с дорог обычные автомобили с ДВС, заключается в малом пробеге между зарядками аккумулятора. В данном направлении ведутся разработки и решением является применение новых типов батарей с большей ёмкостью [64] и топливных элементов [66], но пока эти проекты в стадии разработки, и рабочие образцы имеют стоимость, которая не выдерживает конкуренции.

Лучше дела обстоят в следующем сегменте рынка — в сегменте гибридных транспортных средств. Это транспортные средства, оборудованные электроприводом и имеющие в составе энергоустановки двигатель внутреннего сгорания и буферный электрохимический источник энергии. Начальные, весьма впечатляющие успехи рыночного внедрения гибридных пассажирских электромобилей свидетельствуют об их перспективности. Гибридные транспортные средства представляют очень широкие возможности для совершенствования энергетики движения транспортного средства как с точки зрения использования первичных источников, так и с точки зрения комбинации различного типа источников энергии и тяговых приводов. Наглядным доказательством того, что гибридные электромобили имеют достаточный потенциал, явилось создание, производство и выход на рынок гибридного автомобиля Prius фирмы Toyota [58] (см. рис. 1.3). рис. 1.3.

На данный момент многие зарубежные автогиганты серийно выпускают несколько типов гибридных автомобилей. В гибридных электромобилях используются небольшие двигатели внутреннего сгорания, электродвигатель, секция батарей и компьютерные средства для управления потоками энергии и управления работой электрического двигателя. Американская ассоциация ЕУАА в 1999 г. на конгрессе ЕУ8 16 в Пекине представила прогноз развития технологий «чистых» транспортных средств. Как следует из этого прогноза, ожидается сокращение объёмов производства традиционных автомобилей с ДВС, и к 2020 г. это сокращение может составить 50% от объёмов производства в 2000 г. Внедрение электромобилей с аккумуляторными источниками энергии приведёт к возрастанию объёмов их выпуска примерно до 20% объёма производства транспортных средств в 2020 г. Массовое внедрение гибридных электромобилей по прогнозу будет происходить опережающими темпами и к 2015 г. объём производства гибридных автомобилей будет примерно вдвое превышать объём производства аккумуляторных электромобилей.

Наиболее динамично развивающийся сегмент рынка электрических транспортных средств это лёгкие транспортные средства — индивидуальные средства передвижения, такие как электровелосипеды, электромопеды и электроскутеры (см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6).

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Рис. 1.6.

Данные устройства сегодня мало кого удивляют — их выпускают почти все крупные производители велосипедов и скутеров Европы, Америки и Азии. Согласно [45] в 2004 году мировой спрос на электровелосипеды превысил 3 млн. штук и будет удваиваться каждые два года. Так только в Японии ежегодно продаётся больше 250 тысяч таких устройств. В одном лишь Китае каждый день на мопедах и скутерах едут на работу и домой приблизительно полмиллиарда человек. Власти крупных городов вынуждены запрещать использование бензиновых транспортных средств и на первый план выходят электроскутеры, электровелосипеды и электромопеды, поскольку лишь эта мера позволит сохранить экологию городов на должном уровне. Так, в Шанхае уже открыто пятнадцать центров зарядки и более ста точек замены аккумуляторов для лёгких электрических транспортных средств.

К этому же сегменту рынка можно отнести специальные транспортные средства, такие как электрокары для складских работ (рис. 1.7), самодвижущиеся уборочные агрегаты и коляски для людей с ограниченными возможностями (рис. 1.8). Спрос на данные транспортные средства стабилен.

Рис. 1.7. Рис. 1.8.

Бурное развитие рынка лёгких электрических транспортных средств стало возможным благодаря достижениям в силовой электронике. Именно эти достижения оказали сильное, определяющее влияние на развитие электропривода лёгких транспортных средств: появились доступные силовые электронные коммутаторы, стало возможным уйти от традиционных коллекторных узлов, что существенно уменьшило габариты двигателей, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей — синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др. Все вышеперечисленные типы приводов фигурируют в разработках и серийных образцах лёгких электрических транспортных средств.

На волне развития силовой полупроводниковой техники, а также благодаря появлению микропроцессорных устройств, предназначенных для построения систем управления электроприводов появился новый перспективный тип привода — вентильно-индукторный привод (ВИП) или в англоязычной литературе — Switched Reluctance Drive (SRD). В качестве двигателя в этом типе привода используется вентильно-индукторный двигатель (ВИД), по принципу работы он схож с индукторными шаговыми двигателями, применяемыми в дискретном электроприводе. Индукторные шаговые привода появились в 60-е годы XX века на волне развития первых полупроводниковых приборов и применялись для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы.

К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию, что позволяет создать конкурентоспособный и доступный вариант электропривода для лёгкого электрического транспортного средства. Но на данный момент ни в нашей стране, ни за рубежом не существует разработок лёгких электрических транспортных средств с ВИП.

Для создания ВИП лёгкого транспортного средства необходимо иметь возможность проектирования ВИД именно под это применение. Данная работа посвящена разработке методики проектирования ВИД обращённой конструкции для применения в лёгких электрических транспортных средствах.

Цель работы: создание программного приложения для проектирования ВИД обращённой конструкции для лёгких транспортных средств, таких как электровелосипед, электроскутер, инвалидное кресло и т. д.

Задачи диссертации:

— базируясь на существующей методике проектирования ВИД общепромышленного применения [26] и результатах исследований, проводимых над существующими образцами ВИД обращенной конструкции, создать методику проектирования ВИД обращённой конструкции;

— на основе созданной методики разработать алгоритм проектирования ВИД обращённой конструкции и создать программное приложение поддержки проектирования ВИД для лёгких транспортных средств;

— проверить адекватность решений, полученных с использованием программного продукта, сопоставлением результатов проектирования с экспериментальными данными;

— осуществить проектирование ряда образцов ВИД для электровелосипеда и электроскутера с оптимизацией по минимуму массы или наибольшему КПД.

В первой главе рассматриваются варианты исполнения электроприводов лёгких электрических транспортных средств, из анализа существующих разработок выявляется наиболее часто применяемый тип привода и производится его сравнение с ВИЛ на предмет конкурентоспособности.

Во второй главе анализируется методика проектирования ВИД общепромышленного назначения, данная методика дополняется и уточняется, опираясь на результаты опытов над образцами, и адаптируется под обращенную конструкцию.

В третьей главе описывается математический аппарат новых приёмов, используемых при разработке методики проектирования, приводится полное описание разработанной методики проектирования и на его основе составляется алгоритм проектирования ВИД обращённой конструкции.

В четвёртой главе выбирается среда программирования для создания приложения, разрабатывается алгоритм создания программного приложения, представлено описание экранов приложения и порядок работы с ним.

В пятой главе производится проверка адекватности разработанной методики и приводятся примеры её использования для проектирования двигателей, встраиваемых в колесо различных лёгких транспортных средств.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Доказана конкурентоспособность вентильно-индукторного электропривода с двигателем в колесе легкого транспортного средства.

2. Предложен метод оценки по заданному моменту исходной базовой геометрии ВИД, встраиваемого в колесо, и на основе стендовых испытаний ряда образцов таких двигателей на разработанном стенде получена необходимая информация для проектирования ВИД, встраиваемых в колесо.

3. На основе методики проектирования ВИД общепромышленного назначения и уточнений, полученных экспериментально, разработана методика проектирования ВИД обращенной конструкции.

4. Создано программное приложение, поддерживающее процесс проектирования ВИД, встраиваемого в колесо легких транспортных средств с диапазоном мощностей 100−3000 Вт и частотами вращения 100−1500 об/мин.

5. Достоверность результатов проектирования, получаемых с использованием программного приложения, проверена посредством их сопоставления с экспериментальными данными реализованных образцов.

6. С помощью программного приложения спроектированы вентильно-индукторные двигатели для электровелосипеда и электроскутера, оптимизированные по критерию минимальной массы или наибольшего КПД, а также обеспечивающие наибольший момент в заданных предельных габаритах.

Заключение

.