Вентильно-індукторний двигун з покращеними тяговими характеристиками
Вантажиться...
Дата
2020
Автори
DOI
doi.org/10.20998/2413-4295.2020.02.03
Науковий ступінь
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
Рада захисту
Установа захисту
Науковий керівник
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Вентильно-індукторний двигун завдяки своїм перевагам може використовуватися у транспортних засобах низької та середньої потужності. Проте, через значні пульсацій обертового моменту, складність електричного драйвера й недостатню питому потужність він не є розповсюдженим. У даній статті розглядається структура і характеристики вентильно-індукторного двигуна з С-подібними полюсами і електричний драйвер для його контролю для мінімізації недоліків двигуна. В результаті аналізу, запропоновано критерій ефективності, який базується на порівнянні прискорюючої і гальмівної сили, що створюється полюсом статора. Для забезпечення ефективної роботи двигуна гальмівна сила повинна бути мінімальною, а її вплив компенсовано певною формою струму, за рахунок чого сумарна сила і момент залишаються постійними в кожен момент часу. За рахунок вибору оптимального відношення між полюсами статора й ротора забезпечується мінімальне значення гальмівної сили, а вибір оптимальної кількості полюсів дозволяє досягти максимальної сили. За рахунок високочастотного методу формування струму обмотки статора із запропонованою формою, вплив гальмівної сили і, відповідно, пульсації обертового моменту мінімізовано. При цьому, для підвищення ефективності роботи двигуна запропоновано двохсекційну структуру полюсів із використанням додаткових обмоток для модуляції амплітуди струму, що додатково дозволяє розподілити потужність між секціями. Формування струму керування обмотками здійснюється розповсюдженим резонансним перетворювачем з м’яким перемиканням ключів. Модульна структура електричного драйвера дозволяє використовувати лише чотири резонансні перетворювачі для всього драйвера при одночасній роботі одного полюса статора. У результаті було виявлено, що оптимальною структурою двигуна є n+1/n, так як розміщення полюсів у корпусі ротора дає можливість досягти максимальної сили. Розрахунок вентильно-індукторного двигуна для даної структури й n=7 показав зменшення об’єму двигуна в 2,75 разів і підвищення потужності в 6 разів у порівнянні з популярним тяговим асинхронним двигуном. Моделювання електричного драйвера в середовищі Matlab Simulink показало, що пульсації обертового моменту при даному методі формування струму обмотки статора складають близько 3,25% і можуть варіюватись в залежності від кількості періодів модулюючого сигналу.
Due to its advantages, the switched-reluctance motor can be used in low and medium power vehicles. However, due to the significant torque ripples, the complexity of the electric driver and the insufficient power density, it is not common. This article discusses the structure and characteristics of a switched-reluctance motor with C-shaped poles and an electric driver to control it to minimize the shortcomings of the motor. As a result of the analysis, the criterion of efficiency which is based on comparison of the accelerating and braking force created by a stator pole is offered. To ensure efficient operation of the motor, the braking force must be minimal, and its influence is compensated by a certain form of current, due to which the total force and torque remain constant at all times. Due to the choice of the optimal ratio between the poles of the stator and the rotor, the minimum value of the braking force is provided, and the choice of the optimal number of poles allows achieving the maximum force. Due to the high-frequency method of forming the stator winding current with the proposed shape, the effect of braking force and, accordingly, the torque ripple is minimized. In this case, to increase the efficiency of the motor, a two-section pole structure is proposed using additional windings to modulate the current amplitude, which additionally allows distributing power between sections. The winding control current is generated by a common resonant converter with soft key switching. The modular structure of the electric driver allows using only four resonant converters for all drivers at simultaneous work of one pole of the stator. As a result, it was found that the optimal structure of the motor is n +1/n, as the arrangement of the poles in the rotor housing makes it possible to achieve maximum power. The calculation of switched-reluctance motor for this structure and n=7 showed a reduction in engine volume of 2.75 times and an increase in power of 6 times compared to the popular traction asynchronous motor. Simulation of the electric driver in the Matlab Simulink environment showed that the torque ripple with this method of forming the stator winding current is about 3.25% and can vary depending on the number of periods of the modulating signal.
Due to its advantages, the switched-reluctance motor can be used in low and medium power vehicles. However, due to the significant torque ripples, the complexity of the electric driver and the insufficient power density, it is not common. This article discusses the structure and characteristics of a switched-reluctance motor with C-shaped poles and an electric driver to control it to minimize the shortcomings of the motor. As a result of the analysis, the criterion of efficiency which is based on comparison of the accelerating and braking force created by a stator pole is offered. To ensure efficient operation of the motor, the braking force must be minimal, and its influence is compensated by a certain form of current, due to which the total force and torque remain constant at all times. Due to the choice of the optimal ratio between the poles of the stator and the rotor, the minimum value of the braking force is provided, and the choice of the optimal number of poles allows achieving the maximum force. Due to the high-frequency method of forming the stator winding current with the proposed shape, the effect of braking force and, accordingly, the torque ripple is minimized. In this case, to increase the efficiency of the motor, a two-section pole structure is proposed using additional windings to modulate the current amplitude, which additionally allows distributing power between sections. The winding control current is generated by a common resonant converter with soft key switching. The modular structure of the electric driver allows using only four resonant converters for all drivers at simultaneous work of one pole of the stator. As a result, it was found that the optimal structure of the motor is n +1/n, as the arrangement of the poles in the rotor housing makes it possible to achieve maximum power. The calculation of switched-reluctance motor for this structure and n=7 showed a reduction in engine volume of 2.75 times and an increase in power of 6 times compared to the popular traction asynchronous motor. Simulation of the electric driver in the Matlab Simulink environment showed that the torque ripple with this method of forming the stator winding current is about 3.25% and can vary depending on the number of periods of the modulating signal.
Опис
Ключові слова
модульний електричний драйвер, постійний момент, високочастотне керування, резонансний перетворювач, modular electric driver, constant moment, high frequency control, resonant converter
Бібліографічний опис
Лук’янов М. О. Вентильно-індукторний двигун з покращеними тяговими характеристиками / М. О. Лук’янов // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Сер. : Нові рішення в сучасних технологіях = Bulletin of the National Technical University "KhPI". Ser. : New solutions in modern technology : зб. наук. пр. – Харків : НТУ "ХПІ", 2020. – № 2. – С. 23-29.