Cинтез и анализ вентильных электродвигателей комбинированного возбуждения для электротрансмиссий наземных транспортных средств

В настоящее время во всем мире идет активный переход на гибридный и электротранспорт. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что мировой парк электромобилей к 2030 году достигнет 230 млн. единиц машин, что составляет 12% от всех автомобилей в мире. Ежегодный рост парка электромобилей составляет около 15%. Во многих странах существуют государственные программы, направленные на развитие электротранспорта. Данный факт обусловлен рядом преимуществ, которыми обладает гибридный и электротранспорт: - электромобили не выделяют вредные выхлопные газы при движении; - электротранспорт значительно снижает уровень шума, особенно в больших мегаполисах; - стоимость эксплуатации электромобиля гораздо ниже за счет сниженной потребности в смазывающих материалах и более дешевой зарядки; - электродвигатель способен развивать максимальный крутящий момент за сотые доли секунды, что обеспечивает высокую динамику; - электромобиль может использовать рекуперативное торможение для зарядки АКБ, что делает его еще более энергоэффективным. Несмотря на значительную историю развития гибридного и электротранспорта, мировое научное сообщество не пришло к единому мнению относительно компоновки трансмиссии электромобиля и типа используемой электрической машины. В настоящее время можно выделить 3 основные компоновки трансмиссии электромобилей: классическая компоновка, при которой электродвигатель находится в корпусе транспортного средства и передает крутящий момент на колеса с помощью полуосей, понижающего редуктора и/или механического дифференциала; трансмиссия с индивидуальным приводом колес, но электродвигатели также находятся в корпусе транспортного средства и соединены с колесами либо напрямую через полуоси, либо через полуоси и понижающий редуктор; трансмиссия на базе мотор-колес. Наиболее перспективным вариантом на сегодняшний день является трансмиссия на основе мотор-колес. Данный вид трансмиссии имеет ряд преимуществ, таких как высокий КПД, повышенная динамика, отсутствие сложных передаточных механизмов, освобождение внутреннего пространства автомобиля. Для электротрансмиссии на основе мотор-колес, как и для других видов трансмиссии необходимо решить вопрос выбора оптимального приводного электродвигателя. На данный момент наиболее популярными электродвигателями для электротрансмиссий являются асинхронные электродвигатели и вентильные электродвигатели с высококоэрцитивными постоянными магнитами классической конструкции. В то же время, если использовать вентильные электродвигатели комбинированного возбуждения, то можно добиться широкого диапазона регулирования при меньших габаритах, что очень важно для транспортных средств, которым необходим высокий момент при пуске и высокие скорости во время движения. На данный момент в мире существуют различные варианты конструкций электродвигателей комбинированного возбуждения, но все они имеют существенные недостатки, не позволяющие им выйти на широкий рынок: низкие массогабаритные характеристики, наличие паразитных зазоров. В то же время в ЮУрГУ разработана запатентованная конструкция вентильного электродвигателя комбинированного возбуждения (далее ВЭКВ), которая обладает всеми преимуществами электрических машин комбинированного возбуждения, но при этом исключает недостатки предыдущих конструкций, такие как наличие паразитного зазора, сложной магнитной цепи, дополнительного рассеяния магнитного потока. Эта конструкция может составить основу для проектирования ряда мотор-колес на различную мощность и частоту вращения, но на сегодняшний день для нее не существует отработанных методик анализа и синтеза, что осложняет серийное освоение этого изделия. В связи с этим разработка проектной системы, реализующей синтез конструкции на основе оптимизации геометрии и анализ полученных конструктивных решений, является актуальной научной и инженерной задачей.