Сравнительный анализ двигателя карьерного самосвала с магнитами в роторе и синхронного одноименнополюсного двигателя без магнитов в приводе

Abstract

Актуальность исследования обусловлена возрастающей потребностью применения карьерных самосвалов с дизель-электрическим (гибридным) приводом для разработки полезных ископаемых. Улучшение рабочих и стоимостных характеристик электропривода карьерных самосвалов способствует уменьшению затрат при разработке полезных ископаемых. Цель: теоретическое сопоставление рабочих характеристик синхронных тяговых двигателей различного типа конструкции (традиционно применяемой конструкции с постоянными магнитами внутри ротора и альтернативной одноименнополюсной конструкции с обмоткой возбуждения на статоре без постоянных магнитов), полученных с использованием аналогичных процедур оптимизации, для привода карьерного самосвала; оптимизация конструкции двигателей с целью уменьшения потерь мощности и требуемой мощности инвертора, а также ограничения величины пульсаций момента и снижения риска размагничивания постоянных магнитов. Объекты: конструкция двенадцатиполюсных девятифазных синхронных двигателей переменного тока мощностью 370 кВт различных типов: одноименнополюсного двигателя без постоянных магнитов с обмоткой возбуждения на статоре и двигателя традиционной конструкции с магнитами внутри ротора. Методы: безградиентный метод оптимизации, математическое моделирование, двухмерный метод конечных элементов, метод схем замещения. Результаты. На основе проведенного анализа выявлены достоинства и недостатки рассматриваемых двигателей. Преимуществом двигателя с постоянными магнитами внутри ротора является снижение длины активной части на 30 %. Преимуществом одноименнополюсного двигателя с обмоткой возбуждения на статоре является в 4,6 раза меньшая стоимость активных материалов. Также одноименнополюсный двигатель имеет более надежную конструкцию без риска перегрева, размагничивания или ухудшения свойств постоянных магнитов с течением времени.

Relevance. Increasing need for using mining trucks with a diesel-electric (hybrid) drive for development of minerals. Improving operational and cost characteristics of the electric drive of mining trucks helps to reduce costs in the development of minerals. Aim. To compare theoretically the performance of synchronous traction motors of various designs (a conventional design with permanent magnets inside a rotor and a homopolar design without permanent magnets with an excitation winding on a stator), optimized by the same method, in the drive of a mining truck. To optimize the motor design to reduce power loss and required inverter power, as well as to limit torque ripple and reduce the risk of permanent magnet demagnetization. Objects. Design of twelve-pole nine-phase synchronous AC motors with a rated power of 370 kW of various designs: a homopolar motor without permanent magnets with an excitation winding on the stator and a motor of a traditional design with permanent magnets in the rotor. Methods. Derivative-free optimization method; equivalent circuit method; mathematical modeling; two-dimensional finite element method. Results. Based on the analysis, the advantages and disadvantages of the considered motors were revealed. The advantage of the motor with permanent magnets in the rotor is reduction in active part length by 30%. The advantage of the homopolar motor with an excitation winding on the stator are 4.6 times lower cost of active materials. In addition, the homopolar motor has a more reliable design, without the risk of overheating, demagnetization or deterioration of the properties of permanent magnets over time.