МНОГОСТАТОРНЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПАРАЛЕЛЬНЫМ/ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И АКСИАЛЬНО-РАДИАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ МАГНИТОВ

Оглавление:

1. Плюсы.
2. Поля.
3. Пояснение символов.
4. Типы подключения.
5. Геометрическое расстояние статоров.
6. Датчики Холла.
7. О KV.
8. Главный плюс.
9. Масштабируемость.
10. Мощность.
11. Интегральный критерий.
12. Задачи.
13. Сухая сводка.

        Плюсы этого мотора.

Плюсы:

1)В конструкции нет глубокого изменения архитектуры моторов Доливо-Добровольского.

2)Лучше в весе. Относительно системы одного мотора с двумя статорами и 2 контроллерами(ШИМ) будет примерно в 2 раза легче(Один контроллер,один ротор).Относительно обычного одностаторного мотора(без контроллера) в 30-40 % (на один статор).

3)Решение охлаждения.

При малом весе-возможность внутреннего ЖО(жидкостное охлаждение),если внутренняя часть статора полая и имеет вход и выход охлаждающего патрубка.

4)Простота.Сохранилась простота конструкции ротора.

Почему мотор стоит своего.

5.Эффективнее существующих.

• Выше тепловой порог мощности.

больше статоров — больше меди.Больше меди — меньший нагрев при большем токе.

• Параллельное и последовательное возбуждение фаз — отказ от КПП.

6.Дешевое производство.

Этот мотор:

• Стандартные схемы намотки актуальны.
• Постоянные магниты-неодим(доступные).
• Корпус вполне возможно выполнить на обычных станках.

7.Масштабируемость(от дрона до ледокола).

• Kn=KV×N - работает для любого кол-ва статоров (N).

• Инварианты(Ѿ,Λ) держат качество на всех масштабах.

8.Имеет потенциал развития.

• Можно добавлять статоры(масштабируемость).
• Можно менять схемы возбуждения.

9.О резервировании.

Данная архитектура позволяет при аварийном отключении статора(КЗ) работать остальным,если при КЗ не вышли из строя остальные статоры.При обрыве одного из статоров- система продолжит работать,но ток,который шел на этот статор,делится между оставшимися(возможен эффект “домино”).

10.Работа с противо-ЭДС.(Бездатчиковый режим).

Если аксиома сохранена:”Статоры идентичны по геометрическому расположению по оси и вокруг оси,kv тоже идентично”-то противо-ЭДС в обмотках будет идентично.В контроллере он увидит “наслоенный” сигнал,но не заметит разницы(ему важно напряжение сигнала,а не их количество).

                   ПОЛЯ.

На постоянных магнитах.Неодимовые(NeFeB),Установка магнитов стандартная-как и у одностаторных электромоторных систем.

Пары полей,во время работы мотора,учитывая тип соединения.

• Параллельное:

Пары полей не изменяются,т.к. статоры работают синхронно.

• Последовательное:

Пары полей меняются,но если они согласованы,они меняются по формуле:

                     p_общ=p1 + p2 + ... .

Если они несогласованны,то в роторе будет возникать нестабильность между 

полями,система будет опасна и/или неэффективная.

Стоит учитывать,что мотор станет шире(два статора и геом.зазор,но он не сильно большой).

             Пояснение символов.

Хоть мотор и многостаторный,но однороторный.При параллельном соединении система позволяет получать кратный момент при том же KV(удельная скорость вращения).А кратность момента зависит от кол-ва статоров.

    ТИПЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ.

при параллельном и последовательном соединении управлением N числа статоров управлением статоров занимается один контроллер,ведь идет разветвление

проводов в корпусе ротора(или последовательное соединение,то есть подключение к одному статору.)а на конце выхода индуктора фазы идет на следующий статор.

Также амплитуда,при которой высокий KV реализуется при достаточной силы тока(I), увеличивается в N число,ведь число N-число кол.статоров.

• Второй закон (Последовательное соединение)

                    KN=KV×N

Результирующая скорость прямо пропорциональна количеству статоров при последовательном соединении.

• Третий закон (Параллельное соединение)

                    M_N=M1×N

                    P_N=P1×N

                    KV_N=KV1

При параллельном соединении момент и мощность растут в N раз, скорость не меняется.

Также,есть формула для рассчитывания отклонения деления тока при параллельном соединении,она показывает,на сколько % система отклоняется:

                                      δI=|I1 - I2|/Iср × 100%

Где:

I-Сила тока

    Геометрическое расстояние                                        

                         статоров.

Важно выставить геометрическое расстояние между статоров правильно. Ведь если статоры будут слишком близко-мотор будет греться(поля статоров будут “накладываться” друг на друга),если 

слишком далеко,то будет слишком длинный мотор(то есть это просто не практично в весе и цене изготовления).

• Вторая характеристика (Магнитного зазора)

                            Λ=δ/D

​ 

Геометрическое расстояние статоров.Важно-сохранить геом.градусы к электрическим градусам,чтобы датчики Холла работали корректно.

             Датчики Холла.

Есть 2 варианта установки датчиков Холла.

Первый-одна группа датчиков на каждый статор.Ниже и описаны формулы для их установки.Данный принцип более точен,и при отключении одной из группы датчиков другого статора,мотор может работать с оставшимися.

Допуск установки датчиков Холла

                      ΔѲ=2δ/D×180°/π

Максимальное механическое отклонение датчика в градусах(±). 

Второй-”Истинный” датчик.Установка одного датчика к одному статору на всю группу статоров.Но при этом для корректной работы должна выполняться аксиома.

                    О KV.

KV — это характеристика электродвигателя, которая показывает, сколько оборотов в минуту мотор делает при одном вольте без нагрузки.KV может быть разным по количеству витков у разных моторов — все зависит от схемы намотки и индуктивности одного витка.Зависимость:

       Большее кол-во витков=Меньший KV.

       Меньшее кол-во витков=Больший KV.

Проще говоря, KV определяет характер мотора: любит он скорость или момент.

Если KV высокий (например, 30–50), мотор будет стремиться к высоким оборотам. Такой мотор хорош для трассы, для больших скоростей. Но с места он может стартовать не резко — ему нужно время, чтобы раскрутиться.

Если KV низкий (например, 5–15), мотор будет медленнее крутиться, но зато его момент на старте огромен. Он рвёт с места, как танк. Такой мотор идеален для бездорожья, гор, грязи.

KV — это компромисс. Нельзя одновременно иметь и высокую скорость, и огромный момент на одном статоре. Поэтому в обычных моторах приходится выбирать: либо скорость, либо момент.

Многостаторная система, которую я предлагаю, решает эту проблему. Соединяя 

статоры параллельно, мы увеличиваем момент, не теряя KV. Соединяя последовательно — увеличиваем скорость, не теряя момент:

• Четвёртый закон (Амплитуда смысла)

                          AN=A1×N

​

Позволяет использовать статоры с высоким KV (скоростные) для получения высокой мощности(ведь при 1 статоре и условном I на фазах,силы тока не может хватать чтобы начать работу без нагрузки и/или выполнять ее с нагрузкой).

Таким образом, KV остается важным параметром, но многостаторная архитектура позволяет обойти его ограничения.

            Главный плюс.

Мы знаем,что уже существуют многостаторные системы.Они используются чаще всего в промышленности.Но главным отличием(и по большей части плюсом) является то,что в нынешних многостаторных системах,за каждый статор отвечает один контроллер( Широтно Импульсный Модулятор).То Есть: к примеру на 20 статорный мотор,приходится 20 контроллеров.Плюсы такой системы-бесперебойная работа.При отказе одного контроллера и/или статора,мотор работает,но требует обслуживание.Минусы:Это очень дорого.Каждый контроллер(особенно промышленный) стоит копейку. Вес.Каждый контроллер для промышленного статора весит не мало.

Я предлагаю один контроллер на все статоры путем физического(а не алгоритмического,как в нынешних системах) соединения.Это дешевле, легче в весе,и тут работают базовые физические явления- как деление токов при параллельном соединении(Деление тока в параллельных системах Кирхгофа,оба закона).Хоть и моя система и может остаться живой при не сильном уроне(т.е не “всегда” как в нынешних),но ее легче заменить полностью,она не требует каких либо синхронизированный систем ШИМ.Если кратко:

На данный момент мы уже имеем многостаторные системы.Ее реализация идет путем алгоритмического управления многими статорами,где на каждый статор приходит одно ШИМ устройство.Каждое ШИМ устройство нужно синхронизировать со всеми остальными-это дорого,весит больше,и синхронизация-сложная вещь.

Я предлагаю управлять статорами путем физического соединения их всех.Т.е,даже если мы имеем 20 статоров,при параллельном их соединении мы из мотора будем видеть привычные нам 3 фазных провода.Плюсы- если на ледоколе/электровелосипеде/лифте выйдет из строя контроллер- он просто перестанет работать.Моя система идеально подойдет для тех систем,где простой возможен(а их намного больше,чем где нельзя допустить простоя).Моя система Легче(одно ШИМ устройство),не требует каких либо синхронизаций( один контроллер на все статоры), и дешевле ( не требуется 1 статор= 1 шим устройство).

         Масштабируемость.

В одностаторных системах,чтобы получить большую мощность,надо:

• Увеличивать размеры(вес).
• Увеличивать ток (нагрев,потери).
• Искать компромиссы между скоростью и моментом.

Я предлагаю не брать один большой статор(и в последствии ротор),а взять N меньших статоров,работающих на общий ротор.Ниже приведен коэфициент маштабирования:

ξ=PN/mN / P1/m1

• ξ=1. Удельная мощность не изменилась,идеальный вариант.
• ξ<1. Удельная мощность упала.Плохой исход.
• ξ>1. Удельная мощность выросла(возможно,при оптимизации).

В нынешних моторах,при увеличении мощности,падает удельная мощность.

                         Мощность.

Формула мощности на валу:              P=(B^2×D^2×L×ω/Λ^2×Ѿ^2)×(N×U×η/KV1)

Казалось бы-обычная формула мощности.Но важное уточнение-при решении через эту формулу,входная мощность(P=UI)меньше чем на валу.

Пример:Задача.

Имеется два идентичных статора, работающих на один общий ротор. Питание системы — 72 вольта, ток от батареи — 200 ампер. Статоры соединены параллельно.Известно, что один статор при данных электрических параметрах развивает механическую мощность 15 киловатт на колесе.

Требуется определить:

Суммарную механическую мощность системы на колесе.

Как изменится тепловая нагрузка на один статор по сравнению с одностаторной системой, развивающей такую же мощность.При расчетах принять, что КПД системы — 0.92, а распределение тока между статорами равномерное.

Решение:

РЕШЕНИЕ СЛОВАМИ

При параллельном соединении статоров ток от батареи распределяется между ними поровну, так как статоры идентичны (аксиома системы).

На каждый статор приходится 100 ампер.

Мощность системы складывается из мощностей каждого статора.

Поскольку статоры работают синхронно и независимо, суммарная механическая мощность равна сумме мощностей отдельных статоров.

Тепловая нагрузка на один статор пропорциональна квадрату тока, проходящего через его обмотки.

При токе 100 ампер (вместо 200 ампер в одностаторной системе) тепловыделение снижается в четыре раза.

Это позволяет работать в щадящем режиме или значительно увеличить ресурс мотора.

РЕШЕНИЕ ФОРМУЛАМИ

1. Распределение тока

При параллельном соединении:

Iобщ=I1+I2

Так как статоры идентичны, 

I1=I2

Следовательно:

I1=I2=Iобщ/2=200/2=100 А

2. Механическая мощность системы

Механическая мощность одного статора:

P1=15 кВт

Суммарная мощность:

Pобщ=P1+P2=15+15=30 кВт

3. Тепловая нагрузка (мощность потерь в меди)

Потери в одном статоре пропорциональны квадрату тока:

Q∼I^2

Для одностаторной системы при токе 200 А:

Q1∼(200)^2=40000 (усл. ед.)

Для одного статора в двухстаторной системе при токе 100 А:

Q2∼(100)^2=10000 (усл. ед.)

Отношение:

Q1/Q2=/4000010000=4

Тепловая нагрузка на один статор снижается в 4 раза(доказан тепло выделительный плюс(пункт 3.5) многостаторной системы)

Почему?Потому что эта формула показывает не просто мощность,а то-какая понадобиться входная мощность одностаторного электромотора для достижения характеристик многостаторного мотора.        (к примеру скорость,или момент).

Также есть коэффициент ζ,который показывает,насколько эффективен статор (или система статоров),в преобразовании электрической входной мощности в механическую с учетом тепловых потерь.

                  ζ= P⋅√N /I×R×ρ

​

 Где:

P - Мощность(механическая).

N - Кол-во статоров.

I - Сила входного тока.

R - Сопротивление.

ρ - Удельное сопротивление меди.

Чем оно выше,тем эффективнее мотор преобразует электрическую мощность в механическую.

​

     Интегральный критерий.

Учитывает массу,цену,и мощность системы.Обозначается символом Ψ.

Также стоит сказать о коэффициенте живучести:

                            Kжив=(N-k)/N

Где:

N-Количество статоров.

k-Количество отказавших статоров.

Почему это важно?Потому что данная формула характеризует плюс,что при отказе некоторых статоров(не всех) система частично работоспособна.То есть:

У одностаторной системы,при отказе одного статора,коэффициент живучести равен 0.

У двухстаторной системы,при отказе одного статора,коэффициент живучести равен 50(т.е мотор еще может работать).

Формула:

Ψ=Pмех × N × η Kжив ×  ξ / m × ΔT × Cруб ×KV1

Где:

Pмех -Мощность.

N -Кол-во статоров.

η - КПД.

Kжив - коэф. живучести.

ξ - коэф. масштабирования.

m - масса.

ΔT - перегрев мотора(на сколько градусов Цельсия выше окружающей среды)

Cруб -Стоимость системы.

KV1 - удельная скорость одного статора.

                     Задачи.

1.

Условие:

Два статора.

Статор А: KV₁ = 15, R₁ = 0.04 Ом, δ₁ = 0.7 мм, D₁ = 140 мм.

Статор Б: KV₂ = 18, R₂ = 0.05 Ом, δ₂ = 0.9 мм, D₂ = 160 мм.

Задание:

По формуле длины окружности, определить, на сколько процентов отличаются геометрические размеры.

Используя формулы 

Λ=δ/D и Ѿ=KV⋅√R, проверить, можно ли статоры использовать в одной системе.

2.

Условие:

Система из 3 идентичных статоров. KV₁ = 12, δ = 0.8 мм, D = 150 мм, U = 72 В, C = 1.6 м, η = 0.9, частота питающего напряжения f = 50 Гц.

Задание:

По закону Фарадея, объяснить, почему в моторе возникает противо-ЭДС.

По формуле 

n=60f/p,определить синхронную скорость, если число пар полюсов p = 4.

Используя формулы, найди K_N для параллельного и последовательного соединения, а также Δθ_max.

3

Условие:

Один статор: P₁ = 5 кВт, m₁ = 8 кг.

Система из 5 статоров: P₅ = 25 кВт, m₅ = 42 кг.

Ток I = 200 А, R_фазы = 0.02 Ом, ρ_меди = 0.0175.

Задание:

По закону Джоуля-Ленца, найти, сколько тепла выделится в одном статоре за 1 секунду.

Предложить способ снизить тепловыделение без уменьшения тока.

Используя твои формулы ξ и ζ, оценить эффективность масштабирования.

4

Условие:

Сравнить два варианта:

А: 1 статор, P_мех = 10 кВт, m = 10 кг, η = 0.9, K_жив = 1, ξ = 1, ΔT = 30°C, C_руб = 50 тыс. руб, KV₁ = 15.

Б: 3 статора, P_мех = 30 кВт, m = 25 кг, η = 0.92, K_жив = 0.67, ξ = 0.98, ΔT = 25°C, C_руб = 120 тыс. руб, KV₁ = 15.

Задание:

По второму закону Ньютона, определить, какой вариант обеспечит большее ускорение при одинаковой силе тяги.

По первому закону термодинамики, объяснить, почему вариант Б меньше греется.

Используя формулу Ψ, определить, какой вариант эффективнее.

5

Дана система из N статоров, соединённых параллельно.

Ротор общий, магниты — неодимовые.

Система работает в двух режимах: город (параллельно) и трасса (последовательно).

Переключение режимов происходит автоматически по скорости.

Известно:

Один статор: KV₁ = 18, R₁ = 0.04 Ом, m₁ = 7кг

P₁_мех = 6 кВт.

N = 4.

Напряжение U = 104 В.

КПД системы η = 0.93.

Диаметр колеса D_кол = 0.55 м (21.5″).

Длина окружности C = π·D_кол.

δ = 0.8 мм, D_ротор = 150 мм.

Ток от батареи I = 1000 А (пиковая).

Масса системы m_сист = m_статоров + 30 кг (рама, контроллер, АКБ).

Температура перегрева ΔT = 40°C.

Стоимость системы C_руб = 500 тыс. руб.

ρ_меди = 0.0175.

K_жив = 0.75 (допускаем отказ одного статора).

Найти:

• По закону Ампера, рассчитать силу, действующую на проводник в магнитном поле (B = 1.2 Тл, L = 0.1 м, I = 1000 А).

• По закону Джоуля-Ленца, определить, какое количество тепла выделится в одном статоре за 1 секунду при пиковом токе.
• Используя уравнение теплового баланса, оценить, на сколько градусов нагреется мотор за 2 секунды пикового режима.
• По закону сохранения энергии, найти, какая часть мощности идет в движение, а какая — в тепло.
• Λ, Ѿ.
• Δθ_max (допуск датчиков Холла).
• K_N (для параллельного и последовательного режима).
• V_гор (максимальную скорость в городском режиме, параллельно).
• V_трасса (максимальную скорость в режиме трассы, последовательно).
• M_N (момент в городском режиме).
• M_N (момент в режиме трассы).
• P_мех (механическую мощность в городском режиме).
• P_мех (в режиме трассы).
• ξ (коэффициент масштабирования).
• ζ (КСЭ) для системы.
• Ψ (интегральный критерий).
• Проверить, выдержит ли система пиковый ток 1000 А без перегрева (по формуле ΔT_пик).
• Определить, сколько статоров могут отказать, чтобы система сохранила 50% мощности.
• Построить график зависимости скорости от N (от 1 до 10) для параллельного и последовательного режима.

Задание:

По второму закону Ньютона, определить, какой вариант обеспечит большее ускорение при одинаковой силе тяги.

По первому закону термодинамики, объяснить, почему вариант Б меньше греется.

Используя формулу Ψ, определить, какой вариант эффективнее.

                              Итог.

Что же я хочу донести этим всем?

Я не изобретаю велосипед снова.Данная архитектура позволяет отказаться от компромисса между динамикой и максимальной скоростью(KV),дает выигрыш в удельной мощности и надежности,и также при потреблении того же входного тока,дает запас по нагреву,и главное-масштабируемость.Тот же мотор можно поставить хоть в электротранспорт,хоть в судно.

Это не изобретение,а скорее улучшенная схема Доливо-добровольского.Он не потребляет меньше,а дает меньше потерь,больше надежности,и снова:возможность масштабировать.

        Краткая сводка теории.

1. АКСИОМА СИСТЕМЫ

Статоры должны быть абсолютно идентичны.

(Ведь если удельная скорость вращения(Об/мин/в) не будут у статоров идентичные,если размеры статоров будут разные-мотор не сможет синхронно и корректно работать).

2. ЗАКОНЫ ПОМИНОВА

Первый закон (Тождество статоров)

KV1=KV2=⋯=KVn

Все статоры должны иметь одинаковую удельную скорость вращения(аксиома).

Второй закон (Последовательное соединение)

KN=KV×N

Результирующая скорость прямо пропорциональна количеству статоров при последовательном соединении.

Третий закон (Параллельное соединение)

MN=M1×N

PN=P1×N

KVN=KV1

При параллельном соединении момент и мощность растут в N раз, скорость не меняется.

Четвёртый закон (Амплитуда смысла)

AN=A1×N

​

Позволяет использовать статоры с высоким KV (скоростные) для получения высокой мощности(ведь при 1 статоре и условном I на фазах,силы тока не может хватать чтобы даже начать движение).

3. Характеристики.

Первая характеристика. (Обмоточная)

Ѿ=KV1× √R1

​ 

Контроль качества намотки и идентичности статоров.

Вторая характеристика (Магнитного зазора)

Λ=δ/D

​ 

Геометрическое подобие моторов одной серии.Важно-сохранить геом.градусы к электрическим градусам.Чтобы датчики Холла работали корректно.

4. ФОРМУЛЫ

Скорость

V=KV×U×C×η

​

Где: 

U — напряжение (В), 

C — длина окружности колеса (м), 

η — КПД.

Мощность (обобщенная)

P=(B^2×D^2×L×ω/Λ^2×Ѿ^2)×(N×U×η/KV1)

​

Связывает магнитные, геометрические и электрические параметры.

Допуск установки датчиков Холла

ΔѲ=2δ/D×180°/π

Максимальное механическое отклонение датчика в градусах(±).