1.5. Особенности проектирования

 

    ВИД отличается простотой конструкции электромеханической части и схемы электронного преобразователя, однако, несмотря на эту простоту, в вопросах проектирования ВИД есть определенные сложности, связанные с особенностями электромеханического преобразования энергии. Даже при работе ВИД в номинальном режиме с установившейся скоростью вращения имеют место непрерывные переходные процессы, которые связаны с последовательной перекоммутацией фаз. Имеет место значительная несинусоидальность электрических и магнитных величин. Это не позволяет использовать для расчета ВИД те классические методики, которые применяются при проектировании традиционных ЭМ [3], поэтому вопрос разработки новых расчетных методик для ВИД является актуальным.

    Специфические особенности ВИД связаны с явно выраженной зубчатостью структуры сердечников статора и ротора и малым зазором между ними. Это приводит к локальному насыщению головок зубцов сердечников, которое проявляется при частичном перекрытии зубцов (рис. 1.8). Локальное насыщение вызывает увеличение эквивалентного воздушного зазора из-за того, что поверхность зубцов, примыкающая к зазору, сильно насыщается. Кроме того, распределение магнитной индукции в воздушном зазоре ВИД резко несинусоидально и существенно меняется в зависимости от углового положения ротора. Это значительно усложняет проектирование и расчет параметров и характеристик ВИД, а также определение законов управления этими машинами.

    Специфические особенности устройства и работы ВИД специально учитываются не только на этапе электромагнитного расчета, но и на других этапах проектирования. Например, при тепловом расчете в учет принимаются такие особенности конструкции ВИД, как сосредоточенные обмотки, зубчатая структура сердечников, безобмоточный пассивный ротор. Расчет температур ведется либо по упрощенным аналитическим формулам, используемым при проектировании традиционных ЭМ, либо по тепловым схемам замещения, либо численным методом. При вентиляционном расчете для вычисления аэродинамических сопротивлений и вентиляционных потерь следует учитывать зубчатость сердечников и конструктивные особенности конкретного ВИД.

    Особую важность при проектировании ВИД приобретают виброакустические расчеты. Шумы и вибрации, как следствие пульсаций вращающего момента и действия радиальных сил магнитного тяжения, являются существенным недостатком ВИД. Для обеспечения требований по показателям шума и вибраций необходимо внимательно подходить к вопросу синтеза ВИД на всех этапах проектирования. Уровень шума и вибраций можно минимизировать выбором оптимального алгоритма коммутации, угла включения фазы, тщательным проектированием зубцовой зоны сердечников. Виброакустические расчеты достаточно трудоемки и сложны, их можно выполнить численным методом или по инженерным методикам, изложенным в пособиях по расчету и проектированию машин.

    Наконец, вспомним, что ВИД представляет собой электромеханический преобразователь, объединенный с системой управления, поэтому при уточненных расчетах параметров и характеристик ВИД необходим взаимный учет влияния двигателя и электронного преобразователя, например, при помощи программных комплексов Matlab, KREAN [4] и др.

    В связи с невозможностью применения классических методик расчета ЭМ и отсутствием достаточного опыта проектирования ВИД важным инструментом в этой ситуации становятся пакеты прикладных программ для численного моделирования магнитного поля, например Ansys, Maxwell, Flux, FEMMЕ, ELCUT [5] и др. Квалифицированно используя эти программы, можно весьма точно рассчитать параметры и характеристики ВИД различных конструкций и конфигураций.

    Наиболее точный расчет всех характеристик ВИД возможен путем непосредственного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы преобразования энергии в двигателе, при известном распределении магнитного поля в его активных частях. Такой подход можно реализовать с использованием компьютерной поддержки и современного программного обеспечения, но его недостатком является чрезвычайно высокая трудоемкость и повышенные требования к компьютерным ресурсам.