Идеология проектирования электромеханических систем для гибридной мобильной техники

Абстракт. Рассматривается идеология проектирования электромеханических систем гибридных транспортных средств (ТС), включая тяговый электропривод и генератор, работающий от ДВС. Основная цель состоит в минимизации массы, потерь и габаритных размеров систем, включая электрическую машину, механический редуктор и силовой преобразователь. Масса оптимизированных по геометрии активной части асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором сосредоточена на окружности, их центральная часть вдоль оси вращения не создает электромагнитного момента и не содержит активных материалов. Она не зависит от частоты вращения ротора, а определяется установленной мощностью. Кроме того, габаритный объем уменьшается обратно пропорционально частоте вращения за счет уменьшения объема "пустой" центральной части. Предлагается процедура определения основных параметров оптимизированных электромеханических систем, включая частоту вращения и коэффициенты редукции механических редукторов и КП. Постановка вопросов исследования Гибридные ТС, или (как иногда предпочитают говорить) ТС с комбинированной энергоустановкой, представляют, как следует из их названия, нечто среднее между автомобилем (т. е. ТС, приводимым в движение тепловым двигателем) и электромобилем (т. е. транспортным средством, приводимым в движение электродвигателем, питаемым от источника электроэнергии). Отношение к гибридным ТС начало коренным образом изменяться в конце прошлого столетия [1—7]. В связи с энергетическим кризисом и экологическими проблемами во многих странах были рассмотрены программы энергосбережения и охраны окружающей среды. Анализ возможных путей повышения топливной эффективности показал, что существенную экономию топлива может дать использование в ТС тягового электропривода. Комбинированные энергоустановки с ДВС — наиболее реальный путь достижения высоких показателей ТС в самом ближайшем будущем. При этом удается обеспечить большую дальность пробега и сохранить существующую инфраструктуру заправки. Электропривод может использоваться в качестве мотор-генератора, соединенного с коленчатым валом ДВС и позволяющего выключать ДВС при непродолжительной остановке ТС и последующем пуске ДВС по команде водителя начать движение (рис. 1). Мотор-генератор целесообразно использовать не только для быстрого пуска ДВС, но и для создания электротяги при трогании ТС с места. Причина этого очевидна: ДВС имеет высокую топливную эффективность и малый уровень выбросов в ограниченном диапазоне частот вращения, поэтому целесообразно отбирать от него мощность только после того, как машина уже наберет некоторую минимальную скорость. Мотор-генератор позволяет "сглаживать" пульсации развиваемого ДВС момента (что благоприятно сказывается на снижении вибраций) и увеличивать ресурс узлов трансмиссии. Одновременно может быть решена проблема дефицита мощности бортовой электросети, характерная для современных ТС. Лучшие результаты и большую гибкость управления дает схема с дополнительными (кроме мотор-генератора) тяговым электродвигателем с инвертором, редуктором и механической муфтой (с электронным управлением), позволяющей реализовать тот или иной вид подвода момента к ведущим колесам. Параллельная схема гибридного ТС приведена на рис. 2. Другой вариант параллельной схемы состоит в использовании механического (от ДВС) и электромеханического (от мотор-генератора, аккумулятора через инвертор и тяговый электродвигатель) каналов подвода момента к различным ведущим колесам. Применяются и смешанные кинематические схемы, в которых ДВС и мотор-генератор "работают" на планетарную передачу (система СПЛИТ). В смешанной схеме поток мощности от двигателей к ведущим колесам разделяется: вал ДВС и вал электромотора — генератора соединены с раздельными входами планетарного редуктора (такую схему иногда называют "двухпоточной"). Кроме того, выходной вал планетарного редуктора соединен валом тягового электродвигателя. Такая схема при относительно небольших мощностях генератора и тягового электродвигателя позволяет эффективно управлять потоками мощности и стабилизировать режим работы ДВС. Именно по смешанной схеме выполнено большинство тягово-силовых установок современных коммерческих легковых гибридных автомобилей. В параллельной схеме кроме использования электротяги на начальном этапе разгона возможна рекуперация кинетической энергии ТС при его торможении с последующим использованием возвращенной в аккумулятор энергии при пуске ДВС и при разгоне. Это позволяет дополнительно экономить топливо. Рациональное соотношение мощностей источников энергии в параллельной кинематической схеме (мощности ДВС и электродвигателя), а также энергоемкости накопителя зависят от того, в каких режимах будет эксплуатироваться ТС. В случае применения его только для движения по скоростной дороге, где относительное время разгонов, торможений и остановок незначительно, приведенные выше обоснования пользы комбинации тяги ДВС и электропривода были бы несостоятельны. Вследствие большего КПД механической передачи и больших потерь энергии при ее двойном преобразовании (механической энергии ДВС в электрическую с помощью мотор-генератора и электрической энергии в механическую с помощью тягового привода) целесообразно было бы использовать только ДВС и кинематическую схему традиционного ТС. Однако в реальных условиях движения всегда имеют место подъемы и спуски, повороты с торможением, изменяется скорость и направление ветровой нагрузки, возникает необходимость обгона и т. д. Сопротивление движению изменяется, что вызывает необходимость изменять режим работы трансмиссии и ДВС. Это сопровождается повышенным расходом топлива (по некоторым оценкам до 30 %). Для городских циклов движения нормированы величины ускорений, скоростей, времени движения, пробегов и средняя частота остановок. Зная конкретные параметры применяемых машин, можно определить оптимальное по потреблению топлива соотношение мощностей ДВС и электропривода, а также оптимальные циклограммы их задействования в типовом режиме движения. Средняя мощность в цикле городского движения существенно, в 3—5 раз, меньше требуемой для обеспечения динамики разгонов максимальной мощности. Это демонстрирует имеющиеся резервы снижения мощности ДВС. Из сказанного следует, что наибольший эффект достигается при использовании ТС в городских условиях. При этом виды ТС достаточно многообразны: легковые автомобили, такси и маршрутные автобусы, грузовые развозные автомобили и др. По имеющимся экспериментальным данным потребление топлива в городском движении гибридными ТС снижается на 25—30 %, а в отдельных случаях — до двух раз. К настоящему времени накоплен большой объем данных, полученных при испытаниях как демонстрационных, так и серийных гибридных ТС. Общая масса их силового оборудования изменяется незначительно (а в некоторых случаях она снижается). Что касается стоимости, то до выхода в массовое производство нового для машиностроения электротехнического и электромеханического оборудования гибридные ТС остаются более дорогими (их стоимость для разных моделей на 1,5—7 тыс. долл. США выше, чем стоимость традиционных). Указанные ранее кинематические схемы получили свое развитие в последовательной схеме (рис. 3), в которой кинематические связи между ДВС и ведущими колесами принципиально исключаются. Поскольку при этом ДВС не может передавать момент к ведущим колесам, то, очевидно, мощность, передаваемая в буферный накопитель, должна быть не меньше, чем средняя мощность, требуемая для движения ТС, а мощность и электромагнитный момент тягового электропривода должны быть равны максимальной мощности и максимальному моменту движителей. Число ведущих осей может быть различным (для обычных ТС это соответствует колесной формуле 4*2 или 4x4), как и нагрузка на оси. Для некоторых ТС (тягачи, магистральные автопоезда и др.) перспективны многоосные схемы с достаточно большим (пять и более) числом осей, причем все колеса могут быть ведущими. В таких условиях установка механических передач между ДВС и ведущими колесами затруднена; индивидуальный электропривод упрощает проблему. Возможно использование в гибридных гусеничных ТС. Исключение из привода КП, сцепления и карданного вала позволяет существенно снизить вращающиеся массы и общую массу силового оборудования. Снижение момента инерции влияет на процесс неравномерно-поступательного движения машины. Значительное влияние на момент инерции вращающихся масс оказывает номер передачи. Поскольку коэффициент учета вращающихся масс связан с передаточным числом КП квадратичной зависимостью, с уменьшением передаточного числа существенно снижаются условная масса машины и требуемая для разгона мощность. Конструкторов привлекает возможность более свободной компоновки: не связанные с колесами ДВС и мотор-генератор могут размещаться там, где это наиболее удобно. Отсутствие кинематической связи ДВС с ведущими колесами позволяет по-новому подойти к проектированию ДВС и мотор-генератора. В связи с этим отметим возможность создания свободнопоршневых (без коленчатого вала и кривошипно-шатунного механизма) ДВС и мотор-генераторов с линейным перемещением ротора. Последовательная кинематическая схема гибридных машин позволяет применять новые конструкторские решения, новые компоновки. Последовательная схема дает возможность исключить дифференциал, затрудняющий построение качественной системы управления движением и ухудшающий управляемость и проходимость ТС. Отметим, что такая схема применяется в конструкции тяжелых ТС (например, в карьерных самосвалах сверхбольшой грузоподъемности). Появляется возможность исключения механических редукторов, связывающих как ДВС с мотор-генератором, так и тяговый электропривод с ведущими колесами ("прямой" привод генератора и ведущих колес). В гибридном ТС с мотор-колесами общее снижение массы за счет исключения механических узлов, даже с учетом дополнительно устанавливаемых мотор-генератора и буферного накопителя, может быть значительным. Оно приводит к уменьшению требуемой мощности ДВС и к дополнительной экономии топлива. Достигаемая при этом экономия может перекрывать потери, связанные с двойным преобразованием энергии. Таким образом, гибридные ТС, выполненные по последовательной кинематической схеме (их иногда называют "строгими" гибридами), могут оказаться более экономичными по расходу топлива, чем ТС с параллельной схемой, что далеко не очевидно, поскольку они сильно отличаются от традиционных (типом и мощностью ДВС, наличием сцепления, КП, карданного вала, дифференциала). Автономное управление колесами, применение индивидуального привода колес с так называемым "электрическим дифференциалом" позволяют рассматривать такое гибридное ТС как новое, отличающееся от традиционного не только источником энергии и типом устройств, преобразующих энергию этого источника в механическую, но и качественно другими уровнями управляемости, безопасности, качества движения. Благодаря современному управляемому приводу при индивидуальном приводе колес без его усложнения и удорожания с помощью "алгоритмических" методов удается реализовать системы антиблокировки и антипроскалъзывания колес. В дорожно-строительной и с.-х. технике (тракторах, комбайнах и др.) с применением электропривода (как тягового, так и приводов вспомогательных устройств и рабочих органов) существенно упрощаются кинематические связи, повышаются проходимость и топливная эффективность. Таким образом, сегодня проявляется процесс "генетической мутации" ТС, качественного изменения их структуры и состава основных силовых устройств (к указанным выше изменениям следовало бы добавить интеграцию электронных и механических элементов и существенное повышение роли электроники и систем управления). Рассмотрим асинхронные тяговые приводы ведущих колес и генераторы, предназначенные для работы с ДВС в гибридном ТС с последовательной схемой (рис. 4). Обычно при проектировании ТС исходя из его типажа и назначения задаются кинематической схемой и исходными требованиями к тяговым усилиям, скорости и мощности бортовых источников энергии. Формулируются также массогабаритные, стоимостные и ресурсные ограничения на основные электромеханические устройства, граничные значения потерь энергии в них (впрочем, специалисты по традиционным ТС часто формулируют эти исходные данные без должного понимания их физической реализуемости в электромеханических устройствах). С другой стороны, проектировщики электроприводов для гибридных ТС должны понимать специфику предъявляемых требований, иначе возможности электромеханических преобразователей не будут реализованы в полной мере. Переход от исходных данных к параметрам конкретных устройств (электродвигателей, редукторов) основывается в настоящее время на опыте их разработок для других применений и представляется скорее искусством проектировщиков. В самом деле, отсутствуют общепринятые и обоснованные процедуры выбора основных параметров электромеханических устройств: коэффициентов редукции, числа передач, частот вращения, частот питания электрических машин, числа пар полюсов и т. д., не говоря уже о выборе типа электродвигателей. Весьма редки случаи корректного сопоставления разработанных систем, тем более что отсутствуют критерии качества их проектирования. Все это в значительной мере сдерживает разработку перспективных образцов гибридной мобильной техники, затрудняет взаимопонимание разработчиков электрических машин, электроприводов и механических устройств и специалистов-транспортников. В настоящей работе предпринята попытка определения структуры комплексной оптимизации электромеханической системы в целом (включая электрические машины, механические узлы и силовые электронные устройства) и формализации процедуры получения предпроектных оценок параметров тяговых и энергетических систем для гибридных ТС. Электромеханические устройства относительно новые в мобильной технике, принципы их проектирования с учетом специфики применения пока не устоялись, что требует переосмысления многих принципиальных положений. Особенности применения электропривода в мобильной технике Моменты, мощности и частоты вращения выходных валов (ведущих колес, коленчатого вала ДВС) определяются предъявляемыми к ТС требованиями (максимальное тяговое усилие и его перераспределение, максимальный преодолеваемый подъем, максимальная скорость движения, типовой цикл движения и т. п.), радиусом и числом ведущих колес, а также характеристиками применяемого две. Тяговый привод Максимальный момент электропривода определяется в первую очередь ограничениями, налагаемыми силовой электроникой (электродвигатель позволяет кратковременно развивать большие моменты). Ограничение момента гиперболической зависимостью от частоты вращения вызвано лимитированной мощностью бортового источника энергии (ДВС-генератора или, при использовании буферного накопителя, суммарной мощностью ДВС-генератора и накопителя). В зависимости от условий движения и команд водителя может быть реализован любой момент в пределах указанных линий (рис. 5). При торможении (или движении задним ходом) действуют моменты противоположного знака. Рабочая, наиболее часто используемая зона зависит от типа и области применения ТС, а также от конкретного режима его работы (например, магистральный или городской транспорт, с.-х. техника и т. д.). Именно в рабочей зоне тяговый электродвигатель должен иметь высокие показатели, прежде всего КПД. Отдельно необходимо сказать о тормозящем моменте, который также реализуется в тяговых приводах (область реализуемых моментов симметрична относительно горизонтальной оси). В этом случае имеет место режим рекуперации (возврата кинетической энергии движения ТС). Рекуперируемая энергия может поступать в буферный накопитель (аккумулятор, суперконденсатор, если таковые имеются на борту) или сбрасываться в тормозной резистор. Возможен также "сброс" энергии торможения в ДВС через обратимый мотор-генератор (при этом топливо в ДВС не подается). Эти элементы не влияют на выбор параметров электромеханических устройств и здесь не рассматриваются. В диапазоне мощностей 20—70 кВт наибольшее развитие получили асинхронный электропривод и электропривод с синхронным двигателем на основе постоянных магнитов. Имеются (не очень удачные) примеры использования вентильно-индукторного привода. Из перспективных типов электродвигателей отметим также синхронно-реактивный, который, по прогнозам, обладает массогабаритными показателями, лежащими в промежутке между соответствующими рекордными значениями показателей синхронного двигателя с высокоэффективными постоянными магнитами и асинхронного, а по КПД даже превосходит их, причем при более низкой, чем у асинхронного электродвигателя, стоимости. В настоящее время отсутствует методика корректного сопоставления двигателей различных типов [9—10]. Асинхронный электропривод характеризуется наилучшим соотношением цена/качество. Синхронный электропривод с постоянными магнитами имеет некоторое преимущество по КПД. Однако он дороже и при ослаблении магнитного поля становится неработоспособным. Типовая тяговая характеристика имеет ограничение мощности, характеризующееся снижением момента в 3—10 раз (для различных ТС) при возрастании частоты вращения. В асинхронном приводе этот диапазон обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления магнитного поля. В синхронном приводе с постоянными магнитами поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в те же 3—10 раз. Для приводов легких ТС в отдельных случаях это допустимо, а для средних и тяжелых — нет (из-за удорожания системы привода). Мотор-генераторы Типовая область реализуемых в электрогенераторах, работающих совместно с ДВС, моментов характеризуется областью рабочих режимов ДВС (режимов оптимальных по топливной эффективности и выбросам), которую можно аппроксимировать прямой (рис. 6). составляют обычно около двух; соответственно в области рабочих режимов мощность генератора варьируется примерно в четыре раза (при меньшей мощности либо отходят от области рабочих режимов путем снижения момента вплоть до холостого хода либо выключают ДВС-генератор). Для дизельных ДВС n , для бензиновых — 3000—4000 мин . M определяется мощностью ДВС. Отметим, что к ДВС, работающему совместно с электрогенератором, вообще говоря, нет необходимости предъявлять дополнительные требования по обеспечению постоянства момента в широком диапазоне изменения частоты вращения. Выбор типа электродвигателя для мотор-генератора основывается на технико-экономических соображениях. В числе возможных вариантов — асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, синхронный с электромагнитным возбуждением и синхронно-реактивный двигатель. Режимы работы электродвигателей в тяговом приводе и в генераторах существенно различаются, что обусловливает различие в методиках их проектирования и электромагнитного расчета. Максимальный момент тягового двигателя реализуется на относительно низких частотах вращения (низких частотах источника питания), а при высоких частотах вращения момент снижается. Следовательно, для снижения массы тягового двигателя рационально увеличить число пар полюсов. При этом потери с повышением частоты вращения и частоты питания возрастают несущественно. Напротив, в электрогенераторе максимальный момент реализуется на максимальной частоте вращения, и для оптимизации параметров генератора следует снижать потери как в меди, так и в стали на высоких частотах, что требует использования двигателя с относительно небольшим числом пар полюсов. Электропривод на мобильных машинах ужесточает требования по основным показателям и предопределяет внедрение передовых достижений в области проектирования, материалов, технологий изготовления. Качественные показатели электрических машин Рассмотрим зависимость массы М (габаритных размеров) и КПД от параметров активной части электрических машин. На рис. 7 приведены типовые зависимости М и КПД от полюсного деления t. Как следует из диаграммы, выпускаемые электродвигатели характеризуются пониженным КПД при завышенной массе. Это связано в первую очередь с тем, что серийные двигатели питаются от нерегулируемой сети частотой 50 (60) Гц. Это при необходимой частоте вращения (обычно 1500—3000 , т. е. при числе пар полюсов 1—2) и прямом пуске включением в сеть заставляло проектировщиков увеличивать основные размеры активной части. Завышенный объем активных материалов (электро- и магнитопроводящих) приводит при этом не к увеличению, а к снижению КПД из-за нерационального удлинения проводников и магнитной силовой линии. Тяговый двигатель и электрогенератор питаются от силового преобразователя, выходную частоту которого (по первой гармонике) можно устанавливать произвольно (в пределах, определяемых силовым преобразователем, обычно до 500 Гц и более), и входят в состав регулируемого привода (что исключает пусковые режимы, характерные для прямого включения в сеть с фиксированной частотой). В этих условиях целесообразно выбирать размер полюсного деления (число пар полюсов) в области слева от точки максимального КПД (т. е. там, где некоторое незначительное снижение КПД компенсируется уменьшением массы и габаритных размеров двигателя с учетом ограничений частоты питания и других конструкционных и технологических ограничений). Указанное отличие принципиально, поскольку появляется возможность существенно снизить массу двигателей (практически без снижения их КПД) Вопросы оптимизации геометрии активной части электродвигателей далеко не тривиальны, они связаны не только с оптимизацией электродвигателя, но и с его охлаждением, конструкцией, выбором режимов работы во всех областях частот вращения и нагрузок. Оптимизационные расчеты геометрии активных частей асинхронных двигателей пока не завершены. Это задача проводимых сегодня исследований. Система электрическая машина — механический редуктор Второе отличие использования электропривода в ТС заключается в соединении электродвигателя (тягового или генератора) с механическим редуктором. Удельные характеристики электродвигателей и редукторов, которые определяются характеристиками применяемых материалов и технологией изготовления, существенно различаются. Редукторы, как правило, характеризуются большим по сравнению с электродвигателями отношением удельной массы к передаваемому моменту. При существующих конструкционных материалах и технологиях изготовления предельные показатели свидетельствуют в пользу механических редукторов по удельному моменту, КПД и потерям. Следовательно, для оптимизации совокупных показателей было бы целесообразно максимально использовать преимущества механических редукторов с ограничением частоты вращения и частоты питания электрических машин. Широко распространено мнение, что при выборе редуктора с максимальным реализуемым коэффициентом передачи и электрической машины с максимальной частотой вращения масса системы электродвигатель — редуктор снижается. Для обычных асинхронных электродвигателей, в которых масса сосредоточена вдоль оси вращения, это в целом справедливо: снижение момента при фиксированном числе пар полюсов позволяет использовать двигатель меньшей массы. Для оптимизированных двигателей, в которых масса сосредоточена на окружности, это не так. Система электрическая машина — силовой преобразователь В тяговом электроприводе остро стоит вопрос снижения стоимости комплектного оборудования при безусловном обеспечении требуемых тяговых характеристик. Стоимость силового преобразователя (инвертора напряжения) составляет основную часть стоимости асинхронного тягового привода и определяется стоимостью силовых приборов, пропорциональной установленной мощности преобразователя. Установленная мощность тягового электродвигателя (произведение максимального электромагнитного момента и максимальной частоты вращения) обычно значительно больше мощности бортового источника, ограничивающего область реализуемых моментов гиперболической зависимостью. Установленная мощность силового преобразователя должна быть равной установленной мощности тягового электродвигателя или мощности, соответствующей гиперболической зависимости момента и ограничивающей мощность тяги? Ответим сразу: ближе к истине второе утверждение, что позволяет существенно снизить стоимость силового преобразователя. Согласование обмоточных параметров электрической машины и параметров преобразователя составляет отдельный вопрос, не влияющий на выбор соотношений между механическими и электромеханическими устройствами. Для удешевления привода целесообразно применять преобразователь интегрального исполнения, удовлетворяющий всем требованиям ТС. Принципы проектирования активных частей высокоэффективных асинхронных электродвигателей для регулируемых тяговых приводов Согласно принципам проектирования высокоэффективных двигателей для уменьшения массы и повышения КПД активная часть двигателей вращательного движения должна иметь "бубликообразный" вид: статор и ротор сосредоточены на окружности двигателя, а в центральной части, не участвующей в формировании электромагнитного момента, активные материалы отсутствуют [11—12] (рис. 8). Для высокоэффективных двигателей отношение внутреннего и наружного радиусов близко к единице, а полюсное деление относительно небольшое по сравнению с длиной окружности по зазору (т. е. такой двигатель многополюсный). Для эффективного преобразования электрической энергии в механическую, очевидно, достаточно оптимизировать геометрию полюсного деления. Критериями (показателями качества проектирования активной части асинхронного двигателя) могут служить отношения удельного (на единицу площади зазора) усилия как к массе, так и к потерям в электродвигателе и др. Возможно также использование комплексных критериев, представляющих комбинацию упомянутых. Оптимизировать критерий можно путем, например, изменения высоты зубцовых зон статора и ротора, величины ярма, соотношения сталь/медь (отношения ширины зубца статора и ротора к зубцовому делению), увеличения коэффициента заполнения пазов и применения прогрессивных материалов (электротехнической стали, проводников — медь, алюминий). Рис. 8. Разрез активных частей высокоэффективных асинхронных двигателей обычной (а) и обращенной (б) конструкции: , — радиус по зазору (заштрихованы зубцовые зоны статора и ротора) На этапе оптимизации геометрии полюсного деления обмоточные данные электродвигателя не имеют существенного значения. Тем не менее, при использовании расчетных моделей может оказаться необходимым задаться конкретным двигателем с конкретной схемой обмотки. Такая схема может быть простейшей, например, двухслойной с числом пазов на полюс 6, 9, 12 и т. п., с одним проводником фазы в слое и с последовательным соединением всех витков фазы при обычно рекомендуемом числе пазов ротора. Итак, оптимальные геометрия активной части и полюсное деление определяются величиной зазора. Это означает, что, выбрав оптимальную геометрию активной части, можно далее применять ее при проектировании других двигателей с данным зазором, найдя необходимое число пар полюсов (по известному радиусу расточки зазора и полученному оптимальному полюсному делению) и длину активной части (по требуемому электромагнитному моменту). Масса активных материалов и удельное усилие оптимизированных двигателей пропорциональны площади зазора (произведению радиуса расточки и длины активной части), а электромагнитный момент пропорционален произведению квадрата радиуса расточки и длины активной части. Следовательно, при заданном моменте наименьшую массу будет иметь двигатель с максимальным радиусом расточки. Увеличение относительной длины лобовых частей двигателей с большим радиусом расточки ограничит радиус (длина лобовых частей должна быть существенно меньше длины активной части). Кроме того, следует учесть ограничения габаритных размеров, а также то, что оптимизированные двигатели с большим радиусом неизбежно имеют большое число пар полюсов. При большой полюсности возрастает частота питания на максимальной частоте вращения, что увеличивает потери в активных материалах и может быть нереализуемо в силовом преобразователе. Важен факт существования оптимального (по отношению момент/масса) электродвигателя. Такие электродвигатели, имеющие высокий удельный момент, могут найти применение не только как тяговые, но и как приводы вспомогательных устройств. Таким образом, первый принцип проектирования активных частей высокоэффективных асинхронных двигателей состоит в следующем: для существующих конструкционных материалов (сталь, медь) и уровня технологий изготовления (коэффициент заполнения обмоток, зазор, температура обмоток и т. п.) предварительно оценить конструкцию активных частей можно по имеющимся априорно данным оптимизационного расчета полюсного деления высокоэффективного асинхронного двигателя, выполненного с соблюдением всех технологических требований. Данный принцип открывает возможность для "быстрой" оценки характеристик асинхронного электродвигателя, используя библиотеку параметров оптимизированного полюсного деления и требования к конкретным условиям применения. Вывод: при заданной мощности электродвигателя, фиксированной частоте питания и примерно одинаковых уровнях потерь его масса не зависит (точнее, слабо зависит) от частоты вращения ротора. Действительно: пусть на основе приведенного выше принципа определены основные параметры активной части асинхронного электродвигателя, имеющего заданные мощность, момент и частоту вращения. Представим, что имеется другой электродвигатель с вдвое большим радиусом и вдвое меньшей активной длиной. Нетрудно видеть, что электромагнитный момент такого двигателя вдвое больше, чем у сравниваемого. Следовательно, при вдвое меньшей частоте вращения мощность двигателя останется прежней, прежними останутся и его масса, и относительные потери. Напомним, что в приведенных рассуждениях пренебрегается относительной небольшой массой лобовых частей обмоток статора и ротора двигателя, что вполне допустимо в предварительных расчетах. Впрочем, приведенные качественные рассуждения подтверждаются численными расчетами на расчетной модели асинхронного электродвигателя. Следствием данного вывода является, в частности, независимость суммарной массы электродвигателей при сохранении их совокупной установленной мощности (которая, если не оговорено противное, равна совокупной мощности выходных валов с точностью до потерь в редукторах или совокупной установленной мощности ведущих колес). Это позволяет, в принципе, произвольно разделять двигатели по ведущим осям (при использовании центрального электропривода с дифференциалом) или по ведущим колесам (при использовании индивидуального электропривода колес по схеме мотор-ось или мотор—колесо). Если упрощенно принять, что стоимость электродвигателя пропорциональна его массе, то и суммарная стоимость электродвигателей не зависит от разделения двигателей по ведущим колесам. Имеются ограничения для использования указанного выше принципа. Это, в частности: соблюдение "бубликообразного" вида активной части (т. е. близкого к единице отношения внутреннего и наружного радиусов двигателя); ограничение частоты питания обмоток двигателя (т. е. нахождение частоты питания в разумных пределах, при которых не возникает необходимость изменения расчетной оптимизационной модели вследствие существенного повышения частотных потерь, например, потерь на вихревые токи в стали двигателя); выполнение технологических ограничений по величине зазора (при получаемом радиусе расточки), проверка реализуемости пазов и укладки обмоток и т. п. 1. Златин П. А., Кеменов В. А., Ксеневич И. П. Электромобили и гибридные автомобили. — М.: Агроконсалт, 2004. 2. Эблесон Дональд В. Разрабатываемые технологии электромобилей // Приводная техника. — 1999, № 9/10. 3. Гибридные автомобили и их компоненты (обзор зарубежной печати) // Мобильная техника. — 2003, № 1—3. 4. Ксеневич И. П., И пата в А. А., Изосимов Д. Б. Технологии гибридных автомобилей: состояние и пути развития отечественной автомобильной техники с комбинированными энергоустановками // Мобильная техника. — 2003, № 2, 3. 5. Kateri KaUahan. EVs: Clean Driving into 21st Century. EVS-16, Beijing, China. Oct. 11—16. 1999. Opening Session Report. 6. Белоусов Б. Н., Попов С. Д. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. Конструкция. Теория. Расчет / Под общ. ред. Б. Н. Белоусова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 7. Двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Global Viewpoints, Japan // Automotive Engineering. — 2002, August. 8. Ксеневич И. П. Механические трансмиссии с бесступенчатым регулированием передаточных чисел между смежными ступенями коробки передач // Мобильная техника, — 2004, № 1. 9. Изосимов Д. Б., Клочков О. Г. Критерии оптимизации и постановки задач сопоставления двигателей переменного тока для регулируемого привода // Приводная техника. — 1997, №5,6. 10. Winter Udo. Siemens Automobiltechnik. Comparison of different drive system technologies for electric vehicles. EVS-15. Brussels. Oct. 1-3. 1998. CD-ROM, Paper No. 294. 11. Изосимов Д. Б., Лопухина Е. М., Захаренко А. Б. Предварительная оптимизация размеров активных частей одного класса асинхронных электродвигателей для регулируемого привода // Электричество. — 1996, № 11. 12.Вопросы построения перспективного асинхронного тягового привода // Мобильная техника. — 2004, № 1—4. * Начало. Окончание статьи публикуется в следующем номере.