DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.02.03

Вентильно-індукторний двигун з покращеними тяговими характеристиками

Mykola Lukianov

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.


Ключові слова


вентильно-індукторний двигун; модульний електричний драйвер; постійний момент; високочастотне керування; резонансний перетворювач

Повний текст:

PDF

Посилання


Boukoberine M. N., Zhou Z., Benbouzid M. A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects, Applied Energy, 2019, V. 255, doi:10.1016/j.apenergy.2019.113823.

Laskaris K. I., Kladas A. G. Internal Permanent Magnet Motor Design for Electric Vehicle Drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, V. 57(1), p. 138–145, doi:10.1109/tie.2009.2033086.

Widmer J. D., Martin R., Kimiabeigi, M. Electric vehicle traction motors without rare earth magnets, Sustainable Materials and Technologies, 2015, 3, p. 7–13, doi:10.1016/j.susmat.2015.02.001.

Ramu Krishnan. Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives, CRC Press, 2010. 611 p., doi: 10.1201/9781420014235.

Chiba A. & Kiyota K. Review of research and development of switched reluctance motor for hybrid electrical vehicle, IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), 2015, p. 127-131, doi:10.1109/wemdcd.2015.7194520.

Jiang C., Chau K. T., Liu C. & Han W. Design and Analysis of Wireless Switched Reluctance Motor Drives, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, V. 1–1, doi:10.1109/tie.2018.2829684.

Yu Q., Bilgin B., Emadi A. Design considerations of switched reluctance machines with high power density, IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2016, doi:10.1109/itec.2016.7520226.

Karii M. O., Pavliuchenko V. L., Zhuikov V. Y., Verbytskyi Y. V., Yamnenko Y. S. Elektropryvid z ventylno-induktornym elektrodvyhunom, [Electric drive with switched-reluctance motor], Opis do patentu na korisnu model` Ukrayina] Description of the utility model patent Ukraine] UA 127633 U, 2018.

Deng X., Mecrow B., Gadoue S. & Martin R. A torque ripple minimization method for six-phase switched reluctance motor drives, XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2016, doi:10.1109/icelmach.2016.7732641.

Xue X. D., Cheng K. W. E., Ho S. L. Optimization and Evaluation of Torque-Sharing Functions for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motor Drives, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, V. 24(9), p. 2076–2090, doi:10.1109/tpel.2009.2019581.

Liaw C.-M., Hu K.-W., Wang J.-C. & Ho C. Y., Development and Operation Control of a Switched-Reluctance Motor Driven Flywheel, IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, V. 1–1, doi: 10.1109/tpel.2018.2814790.

Deng X., Mecrow B. Design and comparative evaluation of converter topologies for six-phase switched reluctance motor drives, The Journal of Engineering, 2019 (17), p. 4017–4021, doi:10.1049/joe.2018.8031.

Hu Y., Wang T., Ding W. Performance evaluation on a novel power converter with minimum number of switches for a six-phase switched reluctance motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, V. 1–1, doi:10.1109/tie.2018.2840480.

Ellabban O. & Abu-Rub H. Switched reluctance motor converter topologies: A review. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2014, p. 840-846, doi:10.1109/icit.2014.6895009.

Liu H., Loh, P. C., Wang X., Yang Y., Wang W. & Xu D. Droop Control With Improved Disturbance Adaption for a PV System With Two Power Conversion Stages, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(10), p. 6073–6085, doi:10.1109/tie.2016.2580525.

Denisov Y., Gorodny A., Gordienko V., Yershov R., Stepenko S., Kostyrieva O. & Prokhorova A. Switch operation power losses of quasi-resonant pulse converter with parallel resonant circuit, IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2016, p. 327–332. doi:10.1109/elnano.2016.7493078.

Ievgen Verbytskyi, Oleksandr Bondarenko, Dmitri Vinnikov. Multicell-type current regulator based on Cuk converter for resistance welding, IEEE 58th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, 2017, p. 1– 6, doi:10.1109/RTUCON.2017.8124844.

Galkin I., Blinov A., Verbytskyi I., Zinchenko D. Modular Self-Balancing Battery Charger Concept for Cost-Effective Power-Assist Wheelchairs, Energies 2019, V. 12, iss. 1526, doi: 10.3390/en12081526.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Boukoberine M. N., Zhou Z., Benbouzid M. A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects. Applied Energy. 2019. V. 255. doi:10.1016/j.apenergy.2019.113823.
  2. Laskaris K. I., Kladas A. G. Internal Permanent Magnet Motor Design for Electric Vehicle Drive. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2010. V. 57(1). P. 138–145. doi:10.1109/tie.2009.2033086.
  3. Widmer J. D., Martin R., Kimiabeigi M. Electric vehicle traction motors without rare earth magnets. Sustainable Materials and Technologies. 2015. V. 3. P. 7–13. doi:10.1016/j.susmat.2015.02.001.
  4. Ramu Krishnan. Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives. CRC Press, 2010. 611 p. doi: 10.1201/9781420014235.
  5. Chiba A., Kiyota K. Review of research and development of switched reluctance motor for hybrid electrical vehicle. IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD). 2015. P. 127–131. doi:10.1109/wemdcd.2015.7194520.
  6. Jiang C., Chau K. T., Liu C., Han W. Design and Analysis of Wireless Switched Reluctance Motor Drives. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. V. 1–1. doi:10.1109/tie.2018.2829684.
  7. Yu Q., Bilgin B., Emadi A. Design considerations of switched reluctance machines with high power density. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). 2016. doi:10.1109/itec.2016.7520226.
  8. Карий М. О., Павлюченко В. Л., Жуйков В. Я., Вербицький Є. В., Ямненко Ю. С. Електропривод з вентильно-індукторним електродвигуном, Опис до патенту на корисну модель Україна UA 127633 U, 2018.
  9. Deng X., Mecrow B., Gadoue S., Martin R. A torque ripple minimization method for six-phase switched reluctance motor drives, XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). 2016. doi: 10.1109/icelmach.2016.7732641.
  10. Xue X. D., Cheng K. W. E., Ho S. L. Optimization and Evaluation of Torque-Sharing Functions for Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motor Drives. IEEE Transactions on Power Electronics. 2009, V. 24(9). P. 2076–2090. doi:10.1109/tpel.2009.2019581.
  11. Liaw C.-M., Hu K.-W., Wang J.-C., Ho C. Y., Development and Operation Control of a Switched-Reluctance Motor Driven Flywheel. IEEE Transactions on Power Electronics. 2018. V. 1–1. doi:10.1109/tpel.2018.2814790.
  12. Deng X., Mecrow B. Design and comparative evaluation of converter topologies for six-phase switched reluctance motor drives. The Journal of Engineering. 2019. V. (17), P. 4017–4021. doi:10.1049/joe.2018.8031.
  13. Hu Y., Wang T., Ding W. Performance evaluation on a novel power converter with minimum number of switches for a six-phase switched reluctance motor. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. V. 1–1. doi:10.1109/tie.2018.2840480.
  14. Ellabban O., Abu-Rub H. Switched reluctance motor converter topologies: A review. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). 2014. P. 840–846. doi:10.1109/icit.2014.6895009.
  15. Liu H., Loh, P. C., Wang X., Yang Y., Wang W. & Xu D. Droop Control With Improved Disturbance Adaption for a PV System With Two Power Conversion Stages. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016. V. 63(10). P. 6073–6085. doi:10.1109/tie.2016.2580525.
  16. Denisov Y., Gorodny A., Gordienko V., Yershov R., Stepenko S., Kostyrieva O., Prokhorova A. Switch operation power losses of quasi-resonant pulse converter with parallel resonant circuit. IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). 2016. P. 327–332. doi:10.1109/elnano.2016.7493078.
  17. Ievgen Verbytskyi, Oleksandr Bondarenko, Dmitri Vinnikov. Multicell-type current regulator based on Cuk converter for resistance welding. IEEE 58th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON). Riga. 2017. P. 1–6. doi:10.1109/RTUCON.2017.8124844.
  18. Galkin I., Blinov A., Verbytskyi I., Zinchenko D. Modular Self-Balancing Battery Charger Concept for Cost-Effective Power-Assist Wheelchairs, Energies. 2019. V. 12. 1526. doi: 10.3390/en12081526.