Электродвигатели KUBO – особенности технологии

 

Введение

В 2018 году KUBO представила линейку бескорпусных синхронных электродвигателей с постоянными магнитами (вентильных электродвигателей) с внешними диаметрами от 38 мм до 170 мм.

Появление у KUBO собственного замкнутого производства современных электродвигателей было обусловлено общим значительным отставанием по удельным характеристикам электродвигателей, производимых в Российской Федерации, от технического уровня, задаваемого компаниями из Европы и США. Другим фактором являлась важность обеспечения отечественных потребителей электрическими машинами, изготовленными только из отечественных конструкционных материалов, и не подверженными экспортному ограничению и санкциям.

В настоящей статье описаны особенности конструкции и технологии электродвигателей KUBO, обеспечивающие им преимущества перед всеми отечественными и рядом западных производителей.

Рисунок 1 – Электродвигатель JGV115x25T

 

Особенности и преимущества электродвигателей KUBO

Преимущества электрических машин KUBO обусловлены тремя факторами:

– собственной методикой расчета;

– конструктивными особенностями;

– технологией производства.

Расчетная методика

KUBO не использует популярные программные пакеты для расчета электрических машин из-за их негибкости, низкой скорости вычислений и ограниченного функционала для оптимизации электродвигателя под требования Заказчика.

Расчетная методика электродвигателей KUBO и созданный на ее основе программный пакет объединяют параметрические методы с методом конечных элементов. Суть расчета состоит в анализе матриц векторного магнитного потенциала заданной геометрии электрической машины в различных режимах ее работы. В ряде случаев применяются методы направленного поиска оптимальной конфигурации электродвигателя в смысле заданного критерия качества.

Разработанный программный пакет обладает следующим функционалом:

– Полная математическая модель (цифровой двойник);

– Многокритериальная оптимизация электромагнитной структуры;

– Генетические алгоритмы;

– Учет нелинейных свойств материалов;

– Учет всех видов потерь в сердечнике и в обмотках;

– Учет температурных эффектов.

Точность совпадения экспериментально измеренных и расчетных характеристик электродвигателей составляет 95÷97 %

Программный пакет не обладает принципиальным ограничением на конструкцию рассчитываемой электрической машины: анализируются явнополюсные и неявнополюсные электродвигатели, учитывается скос ротора или статора, жидкостное охлаждение и т. п.

В расчете учитываются все виды потерь как в меди, так и высокочастотные потери в стали с разбиением на составляющие: гистерезисные, добавочные и вихревые потери. При этом оценка высокочастотных потерь осуществляется не по формуле Штейнмеца, а во временной области с привязкой геометрии электродвигателя.

Рисунок 2 – Структура потерь в электрической машине

Результаты расчетов совпадают с результатами испытаний электрических машин вплоть до гармонического состава противо-ЭДС, что позволяет сократить до одной число итераций при разработке новых моделей электродвигателей.

Программный пакет также позволяет строить внешние характеристики электродвигателей, пример механической характеристики показан на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Внешняя (механическая) характеристика электродвигателя

Для целей расчета оптимальной в заданном смысле конструкции электрической машины применяются методы направленного поиска. Так, на рисунке 3 показан выбор конфигурации электродвигателя, обладающей наилучшим соотношением между моментом пульсации от зубцовых зон и электромагнитным моментом.

 

Рисунок 4 – Выбор оптимального электродвигателя

В зависимости от предъявляемых к электроприводу требований, электрические машины могут оптимизироваться по минимуму момента пульсации от зубцовых зон, минимуму тепловыделения, максимуму электромагнитного момента, отнесенного к массе, и другим критериям.

 

Конструктивные и технологические особенности

Электродвигатель, как правило, является наиболее теплонагруженным элементом в электромеханической системе, что должно учитываться при его разработке. Задача создания правильной конструкции электрической машины состоит в том, чтобы лишнее тепло не создавать, а созданное тепло эффективно отводить.

Важным современным трендом в производстве электрических машин является переход ко все более высоким температурам эксплуатации, вплоть до 200°С и выше.

Конструктивные особенности электродвигателей KUBO разрабатывались с учетом данных факторов, поэтому включают:

– цельный (не сегментированный) магнитопровод;

– шлифованную внешнюю поверхность статора;

– заливку обмоток теплостойким теплопроводным компаундом;

– полностью автоматическую намотку;

– применение печатной платы для коммутации обмоток;

– встроенные датчики температуры;

– встроенные датчики Холла;

– встроенные датчики влажности (для серии JYC).

Использование цельного (не сегментированного) магнитопровода статора обеспечивает электродвигателю высокий коэффициент теплопроводности от обмоток к внешней поверхности статора, а также механическую жесткость конструкции во всем диапазоне температур эксплуатации.

Внешняя поверхность статора является шлифованной, что обеспечивает возможность установки статора в корпус Заказчика как по горячей посадке, так и вклеиванием. Напротив, статоры электродвигателей сегментированной конструкции, если только они не установлены в промежуточную обечайку, могут быть только вклеены.

KUBO разработала и продолжает совершенствовать технологию вакуумной заливки статоров электродвигателей теплостойким теплопроводным компаундом, который обеспечивает:

– высокую теплопроводность от обмоток к внешней поверхности статора;

– высокую механическую прочность, в т. ч. к гидростатическому давлению среды;

– защиту обмоток от внешних воздействующих факторов;

– фиксацию обмоток для предотвращения ускоренного старения изоляции обмоточного провода.

Намотка электродвигателей осуществляется только при помощи автоматических намоточных автоматов, ручная обмотка электродвигателей KUBO запрещена. Очевидными преимуществами применения намоточных автоматов является высокая повторяемость и надежность получаемых обмоток.

KUBO запатентовала конструкцию печатной платы, которая устанавливается на электродвигатель. Она предназначена для:

– соединения обмоток статора в заданном порядке;

– подключения электродвигателя к внешней системе управления при помощи штырьковых лепестков;

– установки датчиков Холла, датчиков температуры и влажности;

Применение печатной платы делает конструкцию электрической машины надежной и технологичной. Монтаж выводных проводов осуществляется посредством пайки на штырьковые лепестки, установленные на печатной плате методом прессования.

Рисунок 5 – Вид печатной платы на высоковольтных электродвигателях серии JYC

Совокупность описанных конструктивных и технологических факторов делает электродвигатели KUBO уникальным высокотехнологичным продуктом, предназначенным для применения в современных мехатронных и робототехнических системах.

 

Применение электродвигателей KUBO

Электрические машины KUBO предназначены для применения в составе электромеханических приводов мехатронных и робототехнических систем, включая прецизионные следящие приводы, опорно-поворотные устройства, устройства ориентации, движители подводных аппаратов и многие другие приложения.

В настоящий момент выпускается три линейки электродвигателей:

– JCM – общего назначения;

– JYC – для подводных аппаратов;

– JGV – для маршевых приводов мобильных роботов.

Разделение электродвигателей по областям применения в известной степени условно, так, например, все серии электродвигателей успешно применяются в составе подводных аппаратов, но серия JYC применяется в них чаще, так как рассчитана на высокие напряжения питания и оптимизирована под жидкостное охлаждение.

KUBO оказывает полную техническую поддержку на всех этапах жизненного цикла электродвигателей – от разработки конструкции электропривода и отработки технологии установки электродвигателя, до консультаций по алгоритмам и методам управления.

На странице встраиваемых электродвигателей размещены монтажные и габаритные чертежи, STEP-модели и инструкция по вклеиванию статоров и роторов. Обратитесь в KUBO за подробными консультациями по выбору и применению электрической машины в Вашей электромеханической системе.

 

Рисунок 6 – Статоры электродвигателей подводной серии JYC

 

Выводы

Электродвигатели KUBO являются современным высокотехнологичным решением для построения сложных электромеханических систем. Они решают задачу обеспечения Российской Федерации отечественным продуктом, не имеющим прямых отечественных аналогов.

Совместно с индуктосинами серии MF (индукционными датчиками углового положения) KUBO предлагает Заказчикам современный набор компонентной базы цифрового электропривода российского производства.