Проектирование конструкции активной части электрической машины тягового двигателя для беспилотных летательных аппаратов
Автор: Варкентин Виталий Владимирович, Согрин Андрей Игоревич, Федоров Виктор Борисович
Рубрика: Расчет и конструирование
Статья в выпуске: 2 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
В данной работе описан процесс проектирования конструкции активной части электрической машины тягового двигателя для беспилотных летательных аппаратов и оценка его массово-геометрических и энергетических параметров. Целью работы является повышение удельной мощности электродвигателя путем снижения его массы при помощи замены электротехнической меди для обмоток якоря на электротехнический алюминий без увеличения габаритных размеров конструкции. В разделе «Описание проектируемой конструкции» приведен эскиз проектируемой конструкции активной части электрической машины тягового двигателя. В качестве тягового двигателя рассматривается трехфазный вентильный электропривод, относящийся к бесколлектроным двигателям постоянного тока. Также здесь описаны требования к параметрам проектируемой активной части электрической машины. В разделе «Расчет модели конструкции» приведена методика расчета массово-геометрических характеристик и электромагнитных параметров проектируемой конструкции активной части электрической машины тягового двигателя и его математическое описание. В разделах «Проектирование конструкции» и «Основные результаты» приведены результаты расчетов двух вариантов конструкции - с медной обмоткой и с алюминиевой обмоткой, выбраны материалы компонентов, а также описаны методы, при помощи которых выполнялась доработка этих конструкций, и способы изготовления некоторых компонентов конструкции. В результате работы был достигнут эффект снижения массы проектируемой конструкции в 1,16 раза без увеличения габаритных размеров при сохранении значения КПД выше 90 % и при сохранении значения полезной мощности в 2,6 кВт. Также были оценены общие электрические потери разработанных конструкций, которые при равенстве сопротивления обмоток и рабочего тока оказались разными.
Бдпт, бпла, вентильный двигатель
Короткий адрес: https://sciup.org/147238120
IDR: 147238120 | УДК: 621.313.8 | DOI: 10.14529/engin220201
Structure design of the active part of the electric machine of the traction motor of unmanned aerial vehicles
The article describes the process of designing the active part of a traction electric machine for unmanned aerial vehicles and evaluating its mass-geometric and electrical parameters. The purpose of the work is to increase the specific power of the electric motor by reducing its mass when replacing electrical copper for armature windings with electrical aluminum without increasing the overall dimensions of the structure. In the section “Description of the design under development” a draft design of the active part of the traction electric machine is given. As a traction motor, a three-phase valve electric drive is used, which belongs to the class of brushless DC motors. High requirements are also imposed on the parameters of the designed active part of the electric machine. The section “Calculation of the design model” provides methods for calculating the geometric characteristics and electromagnetic parameters of the designed traction motor structure, and their mathematical description. The sections “Design project” and “Main results” present the results of calculations for two design options - with a copper winding and with an aluminum winding, the materials of the components are selected, the methods of manufacturing some components, as well as the main methods by which these designs were finalized. As a result of the work, the effect of reducing the mass of the designed structure by 1.16 times was achieved without increasing the overall dimensions while maintaining the efficiency value above 90 % and maintaining the net power value of 2.6 kW. Also, studies were carried out on the total electrical losses of structures with the same winding resistance and operating current, which turned out to be different.
Список литературы Проектирование конструкции активной части электрической машины тягового двигателя для беспилотных летательных аппаратов
- Park, J.S. Design and implementation of BLDC motor with integrated drive circuit. International / J.S. Park, K.D. Lee // Journal of Power Electronics and Drive System. - 2017. - Vol. 8 , № 3, P. 1109-1116. DOI: 10.11591/ijpeds. v8i3.pp1109-1116.
- Ping, C. Fast Torque Optimization Technology of Brushless Motor Using ANSYS Finite Element Software andMaxwell2D. / C. Ping, X. Chang // J. Phys.: Conf. Ser. - 2021 - Vol. 2143. - № 1-012036. DOI: 10.1088/1742-6596/2143/1/012036.
- Chen, W. Analytical Comparison Between Ferrite Core and Steel Laminations Losses of MultiPolar Brushless DC Motor. / W. Chen, C. Lin, C. Chen // IECON 2007 - 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. - 2007. P. 1192-1197. DOI: 10.1109/IECON.2007.4460318.
- Huang, C. -L. Comparison of High Speed Permanent Magnet Machine Sensorless Drive using Trapezoidal BLDC and Sinusoidal FOC under Insufficient PWMFrequency / C. -L. Huang, G. -R. Chen, S.-C. Yang et al. //IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). - 2019. - P. 321-325, DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912495.
- Simpson, N. Additive Manufacturing of Shaped Profile Windings for Minimal AC Loss in Electrical Machines / N. Simpson, P.H. Mellor // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). - 2018. - P. 5765-5772, DOI: 10.1109/ECCE.2018.8557999.
- Carev, V. Multilayer Brushless DC Motor for Heavy Lift / V. Carev, J. Roha'c, M. Sipos et al. // Drones.Energies. - 2021, 14, 2504. DOI: 10.3390/en14092504.
- Ekmen, A BLDC motor drive with four switch three phase inverter / Ekmen, B. Fincan, M. Imeryuz // IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). - 2016. - P. 804-808, DOI: 10.1109/ICRERA.2016.7884447.
- Solomon, O. Model Reference Adaptive Control of a Permanent Magnet Brushless DC Motor for UAV Electric Propulsion System / O. Solomon // IECON 2007 - 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. - 2007. - P. 1186-1191. DOI: 10.1109/IECON. 2007.4460304.
- Koteich, M. A real-time observer for UAV's brushless motors / M. Koteich, T.L. Moing, A. Janot // IEEE 11th International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their application to Mechatronics. - 2013. - P. 1-5. DOI: 10.1109/ECMSM.2013.6648964.
- Ekmen, A BLDC motor drive with four switch three phase inverter / Ekmen, B. Fincan, M. Imeryuz // IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). - 2016. - P. 804-808. DOI: 10.1109/ICRERA.2016.7884447.
- Согрин, А.И. Стартер-генератор для дизельной силовой установки / А.И. Согрин, П.О. Шабуров, Б.Д. Шумаков // Электротехника. - 2013. - № 10. - С. 25-28.
- Шевченко, А.Ф. Многополюсные синхронные машины с дробными q < 1 зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов /А.Ф. Шевченко //Электротехника. 2007. -№ 9. - С. 3-8.
- Электротехнические комплексы и системы [Электронный ресурс]: межвузовский научный сборник / Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ); отв. ред. Ф.Р. Исмагилов. - Уфа: УГАТУ - 2011. - Режим доступа: URL: https://e-library.ufa-rb.ru/dl/lib_net_r/Elektrotekhn_kompl_sist_2011.pdf (дата обращения: 29.04.2022).
- Ледовский, А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / А.Н. Ледовский. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 168 с.
- Бут, Д.А. Бесконтактные электрические машины: учебное пособие / Д.А. Бут. - М.: Высшаяшк., 1990. - 416 с.
- Копылов, И.П. Проектирование электрических машин /И.П. Копылов. - Кн. 2: учеб. для вузов по спец. «Электромеханика»: в 2 кн. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 382 с.
- Копылов, И.П. Проектирование электрических машин /И.П. Копылов. - Кн. 1: учеб. для вузов по спец. «Электромеханика»: в 2 кн. - М. : Энергоатомиздат, 1993. - 462 с.
- Лифанов, В.А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов: учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию / В.В. Лифанов. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2003. - 169 с.
- Шевченко, А.Ф. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических/ А.Ф. Шевченко, Т.В. Честюнина //Электротехника. - 2009. - № 12. - С. 3-7.
- Воронин, С.Г. Разработка специализированных механизмов с бесконтактными моментными двигателями постоянного тока / С.Г. Воронин, С.А. Петрищев и др. - Отчет о НИР. № государственной регистрации 82/67.
