Многополюсный магнитоэлектрический двигатель с дробными зубцовыми обмотками для электропривода погружных насосов

Актуальность работы. Разработка бесштанговых насосов в России началась еще до революции. Когда A.C. Артюнов вместе с В. К. Домовым разработали скважинный агрегат, в котором центробежный насос приводился в действие погружным электродвигателем. Советские инженеры, начиная с 20-х годов, предлагали разработку поршневых насосов с поршневым пневматическим двигателем. Одним из первых такие насосы разработал М. И. Марцишевский. Разработка скважинного насоса с пневмодвигателем была продолжена в «Азинма-ше» В. И. Документовым. Скважинные центробежные насосы с электроприводом разрабатывались в предвоенный период А. А. Богдановым, A.B. Крыловым, Л. И. Штурман. Промышленные образцы центробежных насосов с электроприводом были разработаны в особом конструкторском бюро по бесштанговым насосам. Эта организация вела все работы по скважинным бесштанговым насосам, в том числе и по винтовым, диафрагменным и др [1].

Нефтегазодобывающая промышленность с открытием новых месторождений нуждалась в насосах для отбора из скважины большего количества жидкости. Естественно, что наиболее рациональным оказался лопастной насос, приспособленный для больших подач. Из лопастных насосов получили распространение насосы с рабочими колесами центробежного типа, поскольку они давали большой напор при заданных подачах жидкости и габаритах насоса [1].

Широкое применение скважинных центробежных насосов с электроприводом обусловлено многими факторами. При больших отборах жидкости из скважины установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) наиболее экономичны и наименее трудоемки при обслуживании, по сравнению с компрессорной добычей и подъёмом жидкости насосами других типов. При больших подачах энергетические затраты на установку относительно невелики. Обслуживание УЭЦН просто, так как на поверхности размещаются только станция управления и трансформатор, не требующие постоянного обслуживания. Монтаж оборудования УЭЦН прост, так как станция управления и трансформатор не нуждаются в устройстве фундаментов. Эти два узла УЭЦН размещают обычно в легкой будке. Кроме того, УЭЦН обладают более высокими техническими и экономическими характеристиками, в частности, высоким коэффициентом полезного действия, высоким коэффициентом мощности и удельной мощности на единицу массы установки в целом, что, собственно, и обусловило столь быстрое развитие УЭЦН и их масштабное применение [1].

При добыче жидкостей повышенной вязкости, с высоким содержанием механических примесей и газа, применение УЭЦН и традиционных механизированных способов малоэффективно. Поэтому для добычи нефти из скважин с осложненными условиями и малодебитных скважин разработаны установки электровинтовых насосов с погружным электродвигателем (УЭВН) [2]. Использование в этих условиях УЭВН по сравнению с УЭЦН обеспечивает более высокий КПД, уменьшение габаритов и снижение затрат на тонну добываемой нефти [3]. При всех достоинствах УЭВН высокая частота вращения погружного двигателя накладывает дополнительные риски по эксплуатации в малодебитных скважинах вследствие перегрева и износа обоймы. Для повышения эффективности работы УЭВН необходимо создать двигатель с регулируемой частотой вращения в диапазоне 250−1000 об/мин [4].

Таким образом, оптимизация отбора продукции достигается за счет регулирования частоты вращения вала погружного электродвигателя. Суммируя требования, изложенные в различных источниках, можно заключить, что электропривод (ЭП) нефтедобывающих насосов должен обладать следующими основными качествами [5, 6, 7, 8, 9]:

1. Быть регулируемым в широком диапазоне частот вращения (1:8) и нагрузок (1:10);

2. Работать с ослаблением поля при частотах вращения выше номинальной скорости;

3. Регулировать частота вращения электродвигателя;

4. Иметь плавный разгон электродвигателя с заданным темпом;

5. Иметь высокие КПД и коэффициент мощности при всех основных режимах эксплуатации;

6. Обеспечивать длительную работу при минимальных частотах вращения и минимальных расходах охлаждающей (пластовой) жидкости;

7. Иметь малые потери в длинной силовой линии связи погружного электродвигателя с поверхностью;

8. Обеспечивать возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям функционирования для оптимизации режима работы насосной установки;

9. Уменьшить количество датчиков и использование встроенных оптических датчиков положения в современных приводах и получение скорости путем дифференцирования положения является приемлемым путем решения данной проблемы. Однако следует отметить, что бездатчиковые алгоритмы более чувствительны к разбросу параметров.

10. Обладать свойствами, позволяющими применить достаточно простые, но эффективные алгоритмы управления.

До настоящего времени в большинстве случаев в составе ЭП для погружного электронасоса используются погружные асинхронные двигатели серии (ПЭД). Этому типу привода присущи невысокие КПД и коэффициент мощности, большие пусковые токи, относительно большая длина электродвигателя, а также сложность реализации алгоритма эффективного управления. Асинхронные двигатели приводов нефтедобывающих насосов обладают неудовлетворительными массогабаритными показателями. Хотя можно повышать эффективность традиционных асинхронных двигателей, но это сложно сделать без увеличения размера двигателя.

Таким образом, в связи с возрастающими требованиями в повышении эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время погружные асинхронные двигатели, не удовлетворяют запросам потребителей, поэтому необходима и актуальна разработка нового ЭП насосов с погружными электродвигателями, отвечающего современным требованиям.

Развитие новых типов электрических машин с постоянными магнитами и электронной коммутацией тесно связано с достижениями в микро — и энергоэлектронике, информатике и материаловедении. За последние годы электродвигатели с постоянными магнитами заняли прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных электромашиностроительных компаний («Сименс», «ДженералЭлектрик», «Фанук» и др.). Это связано с созданием современных постоянных магнитов на основе соединения ШБеВ, которые могут обеспечить высокие значения остаточной магнитной индукции (до ВТ=1Л4 Тл) и имеют температурную стабильность при температурах до 200° С. Современные редкоземельные постоянные магниты способны обеспечить максимальную индукцию в воздушном зазоре без концентрации потока на уровне 0.6−0.8 Тл [Ю].

Преимущества этих двигателей позволяют применять их в различных устройствах, в том числе в безредукторных электроприводах непосредственного действия с повышенной надежностью. Одним из приоритетных направлений совершенствования погружных насосов является оптимизация их электропривода, одним из вариантом которого является электропривод с магнитоэлектрическими двигателями [11].

Магнитоэлектрические двигатели с постоянными магнитами можно разделить на два типа. Двигатель первого типа по принципу действия представляет собой обращенную машину постоянного тока с магнитоэлектрическим индуктором на роторе и обмоткой якоря на статоре, функции щеточно-коллекторного узла в которой выполняет полупроводниковый коммутатор, питающий обмотку якоря и переключающийся в функции положения ротора. Идеальная ЭДС фаз двигателя имеет трапециевидную форму. Такие двигатели называются бесконтактными (бесщеточными) электроприводами постоянного тока (БДПТ). Механические и электромеханические (скоростные) характеристики БДПТ полностью аналогичны характеристикам классической машины постоянного тока с независимым или магнитоэлектрическим возбуждением. Поэтому и системы автоматического управления скоростью БДПТ обычно строятся по классическому принципу подчиненного регулирования координат электропривода постоянного тока с контурами тока якоря и частоты вращения. Момент БДПТ образуется вследствие реакции двух магнитных потоков — статора и ротора. Магнитный поток статора всегда стремится так развернуть ротор с постоянными магнитами, чтобы поток последнего совпал с ним по направлению. При этом с помощью датчика положения ротора электрический угол между двумя потоками в БДПТ всегда сохраняется в диапазоне 90±30°, что соответствует максимальному вращающему моменту. Известно, что при прямоугольных напряжениях на фазах статора электромагнитный момент БДПТ существенно пульсирует (амплитуда пульсаций может достигать до 25% от номинального момента двигателя, что вызывает неравномерность вращения, ограничивающую диапазон регулирования скорости снизу. Поэтому целесообразно формировать в фазах статора близкие к прямоугольным токам, для чего используются замкнутые контуры регулирования [12].

Двигатели второго типа называются синхронными электродвигателями с постоянными магнитами (СДПМ). Синхронные двигатели с синусоидальной формой ЭДС вращения и, соответственно, с синусоидально распределенными по расточке статора трехфазными обмотками якоря сложнее в изготовлении. Однако они превосходят БДПТ по массогабаритным показателям, обеспечивают минимальные пульсации вращающего момента. В отличие от БДПТ, питание обмотки якоря СДПМ переменного тока осуществляется трехфазно-симметричной системой токов (напряжений), при этом используется ставшая уже стандартной силовая схема преобразователя электрической энергии на базе транзисторного ЮВТ-инвертора напряжения [12].

В синхронном двигателе переменного тока с постоянными магнитами используется непрерывный способ управления положением результирующего вектора МДС статора относительно вектора МДС вращающегося ротора на основе информации, получаемой от датчика положения ротора (ДПР) в виде эн-кодера или резольвера. При непрерывном способе управления положением вектора МДС статора на выходе инвертора формируется трехфазная симметричная система синусоидального тока (по первым гармоникам), строго синхронная с положением ротора. В каждый момент времени в инверторе открыты три силовых ключа и по всем трем фазам обмотки статора протекает ток. Синусоидальные токи в обмотке статора формируются за счет применения пространственной ШИМ и векторного управления СДПМ. Для удобства расчета характеристик и показателей СДПМ трехфазный вентильный двигатель переменного тока преобразуется в эквивалентный двухфазный двигатель. Эти преобразования имеют свои особенности, которые следует учитывать при рассмотрении модулей СДПМ в выбранной системе координат [13].

Существует два способа уменьшения частоты вращения ротора двигателя.

14]:

1. Снижением частоты питания;

2. Увеличением числа полюсов.

Снижением частоты питания асинхронного двигателя можно добиться требуемых частот вращения насоса. Однако при этом резко снижается коэффициент мощности, коэффициент полезного действия и в целом эффективность асинхронного привода. Особенно это актуально при частотах вращения 100−500 об/мин [15]. В отличие от асинхронного двигателя характеристики магнитоэлектрических двигателей остаются приемлемыми и при снижении частоты вращения. Поэтому последние широко применяются в подобных приводах. Снижение частоты вращения путём увеличения числа полюсов технологически невозможно как в асинхронных двигателях, так и в магнитоэлектрических двигателях с классическими обмотками. Это связано с ограничением внешнего диаметра статора двигателя (80−160 мм).

Решением этой проблемы является применение в погружных насосах многополюсных синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов на роторе с дробными зубцовыми обмотками. Многополюсные магнитоэлектрические синхронные машины с зубцовыми обмотками появились сравнительно недавно и широкому кругу потребителей малоизвестны. В Росси первые публикации по этим двигателям принадлежат кафедре электромеханики.

Новосибирского электротехнического института в середине 80-х годов прошлого века [16,17], некоторые модификации этих двигателей за рубежом появились несколько раньше. Развитие таких двигателей в первую очередь связано с появлением новых постоянных магнитов с большими удельными энергиями и стремительным развитием полупроводниковой и микропроцессорной техники.

В России в теорию и практику магнитоэлектрических машин большой вклад внесли A.A. Афанасьев, В. А. Балагуров, А. И. Бертинов, Д. А. Бут, Ф. Ф. Галтеев, A.A. Дубенский, Ю. Б. Казаков, А. Н. Ларионов, В. К. Лозенко, И. Е. Овчинников, И. Л. Осин, А. Ф. Шевченко и др. Результатом активного исследования этих машин явилась разработка и введение в эксплуатацию большого числа различных типоисполнений, различающихся положением ПМ на роторе, явно-нополюсностью (или ее отсутствием), положением ротора относительно статора, а также типом обмотки якоря.

Рассматриваемый двигатель не имеет пусковой обмотки, поэтому он может работать только от полупроводникового частотного преобразователя. Но для этого требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Для таких машин целесообразно применение векторного управления током статора. В статье [18] была дана краткая характеристика современного алгоритма контроля момента (FOC) для синхронного двигателя с постоянными магнитами. За последние десять лет синхронные электродвигатели с постоянными магнитами, или вентильные заняли прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных электромашиностроительных компаний (Siemens, Bosch Rexroth, General Electric, Ansaldo, Fanucu). Синхронные двигатели имеют практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10 000 и более) и возможность ее регулирования по различным законам. Крутящий момент на валу любого двигателя переменного тока зависит от угла между полями статора и ротора. Момент образуется при взаимодействии магнитодвижущей силы, которая создается токами в обмотках статора с магнитным потоком в воздушном зазоре, создаваемым ротором. Этот крутящий момент стремится выровнять магнитный поток ротора с намагничивающим полем статора и достигает максимума, когда вектор намагничивающего тока статора сдвинут по фазе на 90° относительно вектора потока ротора. В машине постоянного тока магнит находится в фиксированном положении, но переключение коммутатора и щеток обеспечивает правильную ориентацию намагниченности якоря к статору. В машинах переменного тока поле в воздушном зазоре вращается, но постоянный крутящий момент создается до тех пор, пока частоты полей статора и ротора синхронизированы. В синхронных двигателях переменного тока поле ротора создается постоянными токами в его обмотках или постоянным магнитом. Для создания постоянного крутящего момента токи статора должны быть синхронизированы по частоте и по угловому положению ротора. Синхронные машины с постоянным магнитом на протяжении многих лет используются в промышленных серво приложениях. Благодаря наличию постоянных магнитов, этот двигатель очень эффективен, поскольку позволяет получить более высокий постоянный крутящий момент по сравнению с асинхронным двигателем с аналогичными габаритами. Для упрощения расчетов трехфазная модель преобразуется в эквивалентную двухфазную модель с помощью преобразования Кларка. Алгоритм управления включает в себя значение текущего угла поворота для входа в синхронизм вентильной машины. Для этого требуется измерять угловое положение вала с помощью датчика положения, такого как датчик Холла или датчик углового положения. Ранее это требование, касающееся датчика углового положения ротора, ограничивало области применения двигателей, но благодаря развитию «бездатчиковых» алгоритмов управления в последние годы наблюдается рост использования этих двигателей в различных областях техники.

В синхронных двигателях переменного тока поле ротора создается постоянным током в обмотке возбуждения или постоянным магнитом. Для создания постоянного крутящего момента токи статора должны быть синхронизированы по частоте и по угловому положению ротора. Использование магнитоэлектрического двигателя как альтернативы ДПТ в регулируемом приводе стало возможным с появлением соответствующей преобразовательной и цифровой вычислительной техники. Прежде всего, это связано с внедрением преобразователей на транзисторах с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), использованием принципов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [19, 20,21,22].

Развитие принципов управления обуславливается развитием аппаратной базы привода: параметрами самого двигателя и его качествами, наличием датчиков угла поворота и (или) скорости, типом преобразователя, вычислительной мощностью контроллера. Реализация управления СДПМ с учётом этих требований позволяет судить об эффективности используемых алгоритмов. На протяжении последних 20 лет представление уравнений СДПМ в роторной системе координат стало основным способом описания его работы. Уравнения машины во вращающихся координатах обеспечивают большую наглядность протекающих в обмотках статора процессах. Действительные токи и напряжения статора в приведенной двухфазной неподвижной системе координат связаны с роторными величинами с однозначным преобразованием. Эти преобразования основаны на предположении о симметричности электрических и магнитных цепей всех обмоток. Кроме роторной системы координат иногда применяется статор-ная, при этом значение индуктивности обмоток статора связано тригонометрическими зависимостями с углом поворота ротора. Для реализации управления СДПМ по стандартным схемам (с использованием ПИ-регулятора) необходим тахогенератор и (или) датчик положения ротора. Вычисляя производную от положения ротора, можно определить скорость. Эта величина используется в уравнениях двигателя во вращающейся системе координат, а также в уравнениях перехода из статорной системы в роторную систему. При питании СДПМ угол поворота необходим для определения времени коммутации транзисторов или тиристоров [23].

В современной литературе в ряде работ [24, 25, 26] отчетливо просматривается тенденция к отказу от использования датчиков механических величин (Sensorless Control) и восстановления вектора состояния системы с помощью различных оценивающих моделей. Это обусловлено тем, что эти датчики снижают надежность всей системы, увеличивают стоимость привода, ухудшают массогабаритные показатели. Кроме этого, при определении скорости путем дифференцирования угла поворота на процесс управления могут существенно повлиять помехи. Несмотря на то, что современные коммерчески распространяемые приводы выпускаются со встроенными датчиками положения ротора, перспектива управления электродвигателям без датчиков механических величин остается очень заманчивой.

Большой вклад в решение задач исследования и разработке многих вариантов систем векторного управления ЭП переменного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые — Г. Г. Соколовский, Г. Б. Онищенко, В. И. Ключева, В. А. Шубенко, О. В. Слежановского, H. J1. Архангельского, И.И. Эп-штейна, А. Д. Поздеева, А. Е. Козярука, В. А. Дартау, В. В. Рудакова, В. В. Слепцова, Н. И. Мищенко, Панкратов В. В., А. Б. Виноградова, К. Hasse, F. Blaschke, R. H. Park, P. Pillay, R. Krishnan, H. Ripperger, G. Pfaff, A. Wick, G. Kaufman, L. Garces, T. Barton, Novotny, T. Lipo, Y. Stefanovic, R. Gabriel, Nordby С., С. Schauder, D. Naunin, К. Nordin, К. Bayrer, W. Leonhard, R. Lorenz, M. Depenbrock, T. Matsuo, M. Matsumoto, Katsuo Kobary, Hiroshi Ishida, S. Morimoto, T. Ohtami и др.

Таким образом, можно сформулировать следующие цели и задачи диссертационного исследования.

Целью работы является разработка и исследование магнитоэлектрических синхронных двигателей с дробными зубцовыми обмотками с радиальными и тангенциальными магнитами на роторе для электропривода погружных насосов.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка расчетной математической модели для моделирования и исследования магнитного поля, электромагнитного момента и индуктивных параметров магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками с учётом реальной геометрии зубцовой зоны и насыщения магнитной системы;

2. Исследование влияния конструктивного исполнения ротора на магнитное поле и электромагнитный момент двигателей при различных значениях коэффициента полюсного перекрытия;

3. Исследование влияния размеров активного ядра (статора и ротора), их соотношений и конструктивного исполнения ротора (с радиально и тангенциально расположенными магнитами) с учётом реальной геометрии зубцовой зоны и насыщения магнитной системы на характеристики погружных магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками (на индуктивные параметры, на электромагнитный момент, на объём и размеры магнитов);

4. Разработка математической модели «магнитоэлектрические двигатели в системе координат (¿-/-д), связанной с ротором — управляемый инвертор — система управления — адаптивная система с настраиваемой моделью»;

5. Исследование характеристик магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками в различных скоростных режимах;

6. Разработка имитационных моделей магнитоэлектрических двигателей в программной среде Ма^аЬ 7.5 — БигшИпк для исследования процесса пуска двигателей с бездатчиковым векторным управлением.

Объектом исследования являются многополюсные синхронные двигатели с постоянными магнитами и дробной зубцовой обмотками (ц<1) с двумя конструкциями индуктора: с тангенциально и радиально ориентированными магнитами.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации использовались методы математической физики, теории поля, электромеханики, методы теории электропривода, теории автоматического управления, теории пространства состояний, теории матричной алгебры и дифференциальных уравнений, математического и имитационного моделирования. Моделирование электромагнитного поля выполнено с помощью программы конечно-элементного анализа FEMM (Finite Element Method Magnetics). Для разложения коэффициентов само — и взаимоиндуктивности контуров обмотки используется функция быстрого разложения в ряд Фурье fft (V, встроенная в Mathcad. Реализация алгоритма датчикового и бездатчикового управления вектором тока статора двигателей осуществляется методом цифрового моделирования в пакете программ MatLab 7.5 — Simulink.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Обоснована целесообразность применения многополюсных магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками для электропривода погружных насосов;

2. Разработана математическая модель для исследования магнитного поля с учётом реальной геометрии, конструктивного исполнения ротора и особенностей дробной зубцовой обмотки, обеспечивающая требуемую достоверность результатов;

3. На основе разработанной математической модели впервые выполнены исследования магнитного поля в погружных двигателях с дробными зубцовыми обмотками и возбуждением от постоянных магнитов, позволяющие выявить влияние геометрических размеров статора и ротора, их соотношения, модификаций ротора, насыщения магнитной системы и других факторов на объём магнитов, индуктивные параметры и электромагнитный момент;

4. Результаты моделирования двигателей показывают, что система бездатчикового векторного управления двигателями на основе адаптивной системы с настраиваемой моделью имеет высокую реакцию скорости при низких и высоких скоростях, позволяет обеспечить необходимое качество процесса пуска и обеспечивает эффективность управлять двигателями и плавный разгон двигателей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Численные модели погружных магнитоэлектрических двигателей с радиальными и тангенциальными расположениями магнитов на роторе и дробной зубцовой обмоткой на статоре для исследования магнитного поля;

2. Результаты исследований с использованием разработанной математической модели влияния геометрических размеров статора и ротора, их соотношений, особенностей дробной зубцовой обмотки, конструктивного исполнения ротора и других факторов на электромагнитный момент, индуктивные параметры, объём магнитов и других характеристик, позволяющих оптимизировать технико-экономические показатели как погружного двигателя с дробной зубцовой обмоткой, так и системы электропривода в целом;

3. Результаты исследований процесса пуска бездатчикового векторного управления магнитоэлектрическими двигателями погружного насоса на основе адаптивной системы с настраиваемой моделью.

Практическая значимость работы.

1. Совокупность полученных в диссертационной работе результатов создает объективные предпосылки для внедрения в практику рекомендаций по конструированию и проектированию синхронных двигателей с постоянными магнитами с дробными зубцовыми обмотками. Предложенные рекомендации по выбору геометрии постоянных магнитов для получения электромагнитного момент позволяют повысить массогабаритных и энергетических показателей этих машин;

2. Разработанная математическая модель погружного двигателя с дробными зубцовыми обмотками и возбуждением от постоянных магнитов позволяет повысить точность результатов исследования распределения магнитного поля с учётом реальной геометрии зубцовой зоны и насыщения магнитной системы;

3. Результаты исследований влияния реальной геометрии статора и ротора, конструктивного исполнения ротора, особенностей дробной зубцовой обмотки и других факторов на электромагнитный момент, индуктивные параметры, объём магнитов и т. д. позволяют разработать инженерные методики расчёта, обеспечивающие высокую точность и комплекс конкретных рекомендаций по обеспечению оптимальных технико-экономических показатео /— О Г" О V/ V леи при разработке погружных двигателеи с дробной зуоцовои обмоткой и возбуждением от постоянных магнитов, а также системы электропривода в целом;

4. Разработаны подробные имитационные модели электропривода с магнитоэлектрическим двигателем с бездатчиковым векторным управлением в программной среде МаиЬаЬ/БтиНпк, которые могут быть использованы при расчёте как установившихся, так и переходных режимов магнитоэлектрических двигателей, применяющихся не только для погружных насосов, но и для машин общего применения;

5. Доказано, что синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов при оптимальных алгоритмах бездатчикового векторного управления обладает наилучшей энергетической эффективностью по сравнению с другими видами электромеханических преобразователей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях. На Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2010, 2011 г.). На Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2010, 2011 г.). На XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2011(г. Томск, 2011 г.). На Международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика «РЭЭиЭ -2011(г. Томск, 2011 г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электромеханика» Новосибирского государственного технического университета при курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, 1 публикация в сборнике научных трудов, 7 статьей в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложений. Работа выполнена на 184 страницах основного текста, включая 105 рисунка и 15 таблиц.

Основные выводы по диссертационной работе:

1. Проведенный анализ литературы показал, что магнитоэлектрические двигатели обладают рядом положительных качеств, которые позволяют успешно применять их в составе электропривода погружных насосов. В качестве объекта исследования выбран синхронный двигатель с дробными зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов с двумя типами роторов. Первая модель — ротор коллекторного типа с тангенциальным расположением магнитов. Вторая модель — ротор с радиальным расположением магнитов. Многополюсного синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов на роторе с дробными зубцовыми обмотками имеет ряд преимуществ, как перед асинхронными, так и перед вентильными двигателями с классическими обмотками.

2. Разработана математическая модель двигателей для исследования магнитного поля с учётом реальной геометрии, конструктивного исполнения ротора и особенностей дробной зубцовой обмотки, обеспечивающая требуемую достоверность результатов.

3. Исследовано и количественно оценено влияние геометрических размеров статора и ротора, их соотношения, модификаций ротора, насыщения магнитной системы и других факторов на значение электромагнитного момента и величину индуктивных параметров магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками.

4. Подробно проведены исследования влияния конструктивного исполнения ротора на магнитное поле и угловых характеристик магнитоэлектрических двигателей с тангенциально — и радиально-ориентированными магнитами. Проведённый теоретический и практический интерес зависимости максимального момента двигателей от объёма магнитов на роторе при различных значениях коэффициента полюсного перекрытия позволяет сделать: сопоставление двигателей с различной конструкцией ротора при одинаковых объмах магнитов на ротореопределение объёма и размеров магнитов, обеспечивающих максимальный электромагнитный момент двигателядля двигателей с ротором коллекторного типа поиск таких соотношений между шириной и высотой магнита и объема магнитов, которые бы обеспечивали одинаковое значение электромагнитного момента с двигателем с радиально-ориентированными магнитами. А также следует отметить, что полученные зависимости позволяют оптимально производить выбор объёма магнитов, необходимых для обеспечения заданного момента двигателя. Варьируя отношением Ьм I т можно обеспечить получение необходимого момента при минимальном расходе магнитов.

5. Разрабтнная модель и результаты исследования влияния геометрии и конструктивного исполнения ротора для погружных электродвигателей с постоянными магнитами с дробными зубцовыми обмотками выполнены впервые и позволят повысить технические экономические показатели.

6. Проведенные расчеты и анализ конструкции показали, что двигатель с ротором «коллекторного» типа создает больший вращающий момент с единицы объёма ротора по сравнению с двигателем, у которого магниты закреплены на поверхности ротора и тем самым появляется возможность значительно повысить использование активного объёма машины.

7. Проведён сравнительный анализ индуктивных параметров магнитоэлектрических двигателей с двумя конструкциями ротора. Отметим, что индуктивности фазных обмоток магнитоэлектрических машин с ротором с тангенциальным размещением магнитов являются периодическими функциями угла между осью фазы и продольной осью ротора ?/. Индуктивности двигателей с радиальным расположением магнитов с ненасыщенной магнитной системой являются постоянными. Однако современные магнитоэлектрические машины выполняются с высокой степенью насыщения, и это приводит к разнице индуктивностей по осям й ж q.

8. Приведена математическая модель трехфазного синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, которая используется при моделировании и построении системы бездатчиковото управления электроприводом на основе адаптивной системы с настраиваемой моделью.

9. Приведена математическая модель адаптивной системы с настраиваемой моделью, которая используется при моделировании и построении системы управления электроприводом без датчика положения ротора. Разработана адаптивная система с настраиваемой моделью, позволяющая упростить реализацию алгоритма векторного управления двигателями без датчика положения ротора.

Ю.Исследованы характеристики магнитоэлектрических двигателей в различных скоростных режимах, характерных для электропогружных насосов. Полученные характеристики магнитоэлектрических двигателей в различных скоростных режимах отвечают необходимым условиям для погружных насосов.

11. С использованием разработанной математической модели исследованы магнитоэлектрические двигатели с бездатчиковым способом управления током статора двигателя, отвечающие современным требованиям для электропривода погружных насосов.

12,Обоснована целесообразность применения многополюсных магнитоэлектрических двигателей с дробными зубцовыми обмотками для электропривода погружных насосов.

13.Разработанные математические модели, а также результаты исследований и полученные рекомендации использованы при проектировании и исследовании магнитоэлектрических двигателей, применяющихся для электропривода погружных насосов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.