Электрический двигатель с водоохлаждаемыми обмотками Опции

[Владимир_2010]

Здравствуйте.
Стоит задача спроектировать двигатель большой мощности в малых габаритах. Коллеги смотрят на эти безумные цифры и высказывают подозрение что нужно в уме держать вариант с большими плотностями токов и водоохлаждаемыми обмотками. Хотя мне конечно такой вариант не нравиться ибо чем проще конструкция тем лучше. Кроме того безумное увеличение плотности тока может мало чего дать так как железо попадет в насыщение.
По индукционному нагреву я знаю что допускается 150 А/мм^2 плотность тока в обмотке индуктора, если система водоохлаждения спроектирована нормально. Какие плотности токов можно заложить в двигатель?! Какие системы охлаждения бывают?! Есть ли книги или статьи? В каком направлении копать? Я что то в гугле ничего толкового по запросу water cooling electric motor не могу найти. По каким ключевым словам искать нужную информацию?
Спасибо.

[injener]

Я не специалист по машинам, но интересно: какого типа двигатель. И как можно охладить водой, например, ротор асинхронника.

Мне кажется, если закладывать такие плотности тока, то обмотка должна быть выполнена из медных трубок с водой. Что касается плотности тока, то мы в выпрямителях для печи и электролиза (а там десятки килоампер) никогда не закладываем плотность тока больше 5А/мм2. Несмотря на то, что шины, как правило водоохлаждаемые.

[Владимир_2010]

Если задача будет официально поставлена - то двигатель скорее всего предеться придумывать из головы и тип двигателя за нами. Ротор думаю что не будем охлаждать - так как хочется что-нибудь вроде вентильного двигателя с электромагнитной редукцией момента:). Но только тут проблема - нужно делать маленький воздушный зазор: встаем на ограничение по механическим соображениям. Один из вариантов - налепить постоянные магниты, что бы увеличить индукцию в зазоре и что бы воздушный зазор можно было сделать побольше. Но тоже вариант сомнительный - так как постоянные магниты сложно крепить, ненадежная конструкция, дорого, различные пульсации момента и т.д.
Один из вариантов - делать водоохлаждение на статорной обмотке. Серьезных работ по этой теме я не читал. Знаю что есть в МАИ "Центр сверхпроводниковых электрических машин и устройств" http://www.kaf310.mai.ru/krio_c.html, там охлаждают проводники жидким азотом. Но двигатель будет золотой по себестоимости.

Пока задача не поставлена официально и не задокументированна, но рассматриваем разные варианты и я пока что в рамках саморазвития тренируюсь в расчетах момента для разных конструкций. Ну и литературу-статейки ищу и почитываю.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 20 2010, 11:09

[Владимир_2010]

В древней советской литературе по электрическим машинам упор делается на электрические схемы замещения - а это мне как раз и не надо, так как теорию цепей и теорию электромагнитного поля я и без электрических машин понимаю. Знаю что на синхронных генераторах делают водородное охлаждение и кое-что охлаждают водой. Вот это бы где-нибудь поподробней почитать.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 20 2010, 12:11

[injener]

Мне встречались книги и по конструкциям машин, но, как понимаете, это не из моей области работы. Тоже знаю, что синхронные генераторы в турбогенераторах с водородным охлаждением и еще слышал о сверхпроводящих машинах. В любом случае указанные вами плотности тока сделают машину золотой. Учтите, что система жизнеобеспечения такой мошины съест выигрыш по габаритам. Я имею в виду деионизацию воды, компрессор, теплообменник, датчики давления и температуры и т.д.

[Tanya]

. Какие плотности токов можно заложить в двигатель?! Какие системы охлаждения бывают?! Есть ли книги или статьи? В каком направлении копать?

http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3537.html
Соленоид Биттера.

[injener]

__http://www.twirpx.com/files/tek/emachines/
посмотрите здесь, может есть какие книги

[Serj78]

Здравствуйте.
Стоит задача спроектировать двигатель большой мощности в малых габаритах. Коллеги смотрят на эти безумные цифры и высказывают подозрение что нужно в уме держать вариант с большими плотностями токов и водоохлаждаемыми обмотками.
Спасибо.

Вы озвучте мощность, обороты, габариты, вес.

подумаем вместе

[Владимир_2010]

Учтите, что система жизнеобеспечения такой мошины съест выигрыш по габаритам. Я имею в виду деионизацию воды, компрессор, теплообменник, датчики давления и температуры и т.д.

Водоохлаждение - это конечно геморой и скорее всего не реально

Вы озвучте мощность, обороты, габариты, вес.
подумаем вместе :)

Цифры примерно такие: момент 10кНм, номинальная скорость 40 рад/с (безредукторный привод); основные габариты - диаметр 400 мм, длинна 400 мм.
На ум пока что приходит только вентильный двигатель с электромагнитной редукцией момента/скорости (что то похожее можно увидеть здесь на картинке http://www.kaskod.ru/produkt/motorsrm/srm_article02/, называется моментный с внутренним ротором). В принципе то идея хороша - конструкция простая и надежная, но что бы получить высокий момент надо будет делать воздушный зазор очень маленьким. Деды из института в доисторические времена коммунизма делали такой тип двигателя на 2кНм в 250 мм диаметре с зазором 0.25 мм, но 10кНм так просто не получить. Кроме того тот двигатель с зазором 0.25 мм работал только в лаборатории - думаю что с 0.25 мм зазором ненадежная конструкция по механическим соображениям; не знаю сколько он у них просуществовал и проработал...Меня настраивают считать на зазор минимум 1 мм. Но как только я увеличиваю зазор падает момент.
Я пока что через уравнения Максвелла и тензор натяжения Максвелла на основе метода конечных элементов считаю всякие конструкции - набиваю руку на расчетах + читаю статейки потихоньку - вдруг какую-нибудь интересную конструкцию можно найти. Также смотрю куда прилепить постоянные магниты (что бы увеличить индукцию в зазоре) и считаю... Хотя с постоянными магнитами связываться не хочется - не знаю как организовать с магнитами принцип электромагнитной редукции момента (т.е. как оставить много зубчиков для редукции момента на полюсе и на роторе и в то же время куда посадить постоянные магниты для увеличения индукции в зазоре). Я уже и на ротор и на статор садил и считал всяко - ни чего толкового не могу придумать.
Еще вот стали всякие перебираю - думаю может за счет новых электротехнических сталей можно повысить индукцию (мне бы кривую B-H у которой точка насыщения как можно дальше), но тоже тщетны пока что поиски.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 21 2010, 07:19

[Serj78]

Водоохлаждение - это конечно геморой и скорее всего не реально
Цифры примерно такие: момент 10кНм, номинальная скорость 40 рад/с (безредукторный привод); основные габариты - диаметр 400 мм, длинна 400 мм.

то есть мотор 400квт, полмегавата почти, 380об/мин. похоже на судовой двигатель по оборотам.
А масса ограничена?

С таким моментом это бррр...
еще не сталкивался.

Конструкцию BLDC с внешним ротором и постоянными неодимовыми магнитами рассматривали? там коэффициент редукции по полю при вашем диаметре можно около 20 сделать.

или, как вариант- с редуктором рассмотреть вариант в этом же корпусе..

по массе - с 53г мотора с внешним ротором диаметр статора 20мм, длина 12, удается снять 1квт на выходе, при 85% кпд и воздушном охлаждении. но на 25000 об/мин

[Владимир_2010]

Что то я погорячился и выдал не те цифры - задачу мне пока что только на словах поставили, а не на бумаге. 10кНм это судя по всему максимальный момент, на минимальной пониженной скорости. Не знаю удастся ли получить такие цифры. 40 рад/с это номинальная скорость и на ней момент ориентировочно 0.6 кНм, т.е. по мощности в районе 25 кВт. Так что не так все страшно. Цифры под вопросом - ибо все может не так понял. Пока что в виде хобби тренируюсь в расчетах высокомоментных низкоскоростных двигателях и ищу любую литературу по этому вопросу и смежным вопросам, а там видно будет. Привод должен быть безредукторным.
BLDС пока что не считал. Считал с постоянными магнитами что то на линейном аналоге - круговую модель двигателя долго чертить/считать. Круговую модель считал вентильный двигатель без постоянных магнитов, как с электромагнитной редукцией момента так и без. Сейчас потихоньку подбираюсь к круговым конструкциям изложенным в статьях здесь http://www.ukrainemotors.com/index.php?page=pub. Вначале хочу почуять физику процесса и поэтому на мощности не смотрю - там все двигатели маломощные. В статьях "Рациональные соотношения геометрических размеров в вентильном двигателе с постоянными магнитами и дополнительными полюсами" в названии файла на английском есть BLDC и в других статьях про ВД с ПМ тоже везде BLDC. Насколько это BLDC я не знаю.
Что за конструкция

Конструкцию BLDC с внешним ротором и постоянными неодимовыми магнитами рассматривали? там коэффициент редукции по полю при вашем диаметре можно около 20 сделать.

Где можно посмотреть картинку и принцип действия?! Спасибо.

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 21 2010, 11:02

[Microwatt]

Все это, конечно интересно. Я искренне желаю успехов в этой работе.
Я только подумал вот о чем. Когда-то, когда микроэлектроника еще была не очень микро, задумался над одной фотографией к статье. Там двигатель рекордных по тому времени характеристик размером в полстакана. И рядом плата управления 400х500 мм.
Так вот тут - не то же? Не самоцель ли это, во вред общим системным характеристикам?
Ладно, предположим автор надорвет извилины и создаст искомый уникальный двигатель..... Но если не забыть рядом поставить систему водяного охлаждения, ее вспомогательные насосы, трубопроводы, ситемы управления ... Не будет ли весь этот сарай больше, дороже, менее надежен, чем более скромный двигатель без экзотической плотности тока?
Иногда, великолепные специалисты по "плюсу" и по "минусу" могут создать что-то путное, только под управлением весьма посредственного спеца по аккумулятору в целом. Не так ли?

[Владимир_2010]

Ну я наверное просто тороплюсь и бегу вперед паравоза - хочеться быть вооруженным заранее. Задача то еще официально не поставленна. может эти 10кНм это какая то ошибка и просто нагрузку на вал двигателя не так посчитали, я конечно буду если что сам все перепроверять и пересчитывать к валу двигателя. Но в любом случае для себя решил что будет задача или нет - я все равно рассчитаю как надо какой-нибудь безредукторный высокомонетный двигатель, а уж приложение найдется.

[Microwatt]

все равно рассчитаю как надо какой-нибудь безредукторный высокомонетный двигатель, а уж приложение найдется.

Это - другое дело. Тогда , главное -высокомонетность закладывайте побольше!
А то, разработчику стало трудно жить.

[wangan]

Можеть лучше магнитной жидкостью охлаждать, охлаждают же обмотки динамиков.

[falling_stone]

По идее, похожими характеристиками могут обладать Superconducting Homopolar Motors. Разрабатываются фирмой General Atomics как гребные двигатели для перспективных военных кораблей. В этих разработках используется охлаждение до 5К гелием, и никель-титановые проводники. Если судить по тому что пишут, по весо-габаритам они превосходят и обыкновенные двигатели и двигатели, использующие высокотемпературную сверхпроводимость. (даже с учетом систем охлаждения) Серьезный недостаток - ограниченный ресурс щеток и колец.

[Serj78]

Что то я погорячился и выдал не те цифры - задачу мне пока что только на словах поставили, а не на бумаге. 10кНм это судя по всему максимальный момент, на минимальной пониженной скорости. Не знаю удастся ли получить такие цифры. 40 рад/с это номинальная скорость и на ней момент ориентировочно 0.6 кНм, т.е. по мощности в районе 25 кВт.
Где можно посмотреть картинку и принцип действия?! Спасибо.

http://www.aero-naut.de/en/products/engine...ric-motors.html
здесь в разрезе рисунок.

видел в проспекте станков мотор с внутренним ротором 12квт 150мм диаметром и 100мм длиной. кпд более 85% в диапазоне оборотов от 100 до 8000. обмотки охлаждаются водой.

40 квт BLDC с внешним ротором для установки на планер имеет вес 19 кг. диаметр и длину около 250х250мм. напряжение 110 вольт.

[Владимир_2010]

Serj78, спасибо за ссылку! К сожалению на рисунке не видно полюсов статора и зубчики на роторе. Пожалуйста, если это возможно, объясните как получается редукция момента 20?!

Конструкцию BLDC с внешним ротором и постоянными неодимовыми магнитами рассматривали? там коэффициент редукции по полю при вашем диаметре можно около 20 сделать.

Если взять простой вентильный двигатель (ВД) без постоянных магнитов например с соотношением чисел полюсов статора и ротора X1/X2 - тут мне все понятно и считаю я это без проблем (http://www.kaskod.ru/produkt/motorsrm/srm_article02/ рисунок первый - подпись под рисунком "с внутренним ротором").
Если заложить идею электромагнитной редукции момента/скорости то тогда надо на каждом полюсе статора сделать N зубчиков и на роторе нарезать такие же зубчики - получиться редукция момента примерно в N раз. Но 20ть зубцов на полюс если нарезать - ничего хорошего не выйдет. По ссылке выше на рисунке этот двигатель называеться "моментный с внутренним ротором". Проблема у этих ВД - нужно делать маленький воздушный зазор, что бы получить большие моменты. Такой зазор не всегда возможно сделать по механическим соображениям.
Если для увеличения индукции в зазоре и для увеличения момента при больших воздушных зазорах я пытаюсь посадить на ротор постоянные магниты - то у меня никак не получается реализовать идею электромагнитной редукции момента - т.е. нарезать много зубчиков на полюс и получить редукцию момента в N раз.
А простой вентильный двигатель с постоянными магнитами на роторе я считаю потихоньку - но он высокомоментным и тихоходным не получиться. (ссылка http://www.ukrainemotors.com/index.php?page=pub, статья "Рациональные соотношения геометрических размеров в вентильном двигателе с постоянными магнитами и дополнительными полюсами")

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 22 2010, 18:15

[Serj78]

Serj78, спасибо за ссылку! К сожалению на рисунке не видно полюсов статора и зубчики на роторе. Пожалуйста, если это возможно, объясните как получается редукция момента 20?!

Под редукцией я имел в виду магнитную редукцию поля, (фактические обороты ротора в N раз меньше чем обороты по полю ). Она косвенно приводит к редукции момента. Значение редукции по полю в таких двигателях определяется количеством магнитных полюсов, если у нас постоянные магниты то при 16 магнитах получается редукция 8 и т.д.

"зубцы" на статоре- это звездообразные обмотки. зубцы на роторе- сами магниты.

Типичная редукция моторов единиц киловатт это 7-8.

http://www.torcman.de/index_e.htm

Тут внешний вид набора для сборки "маленького" для вас 4 квт моторчика...
В разделе download есть схемы намотки.

В вашем случае с точки зрения увеличения момента аутраннер (с внешним ротором) выгоднее с точки зрения того, что момент от увеличения диаметра растет квадратично ( увеличивается и площадь магнитного зазора, и плечо его приложения.)

[Methane]

Народ. Есть два момента.
1. В синхронном двигателе, по идее ротор греться не должен.
2. Ток может быть таким большим, что размагнитит постоянные магниты в роторе.
3. Двигатель может быть весь погружен в масло.

[dpss]

По теме магнитной редукции и большого крутящего момента BLDC попробуйте поискать у любителей электротранспорта с ключевыми словами мотор-колесо, мотор-ступица. Вот здесь среди среди пустой болтовни проскакивают ссылки на неплохие книги http://electrotransport.ru/ussr/index.php/topic,3.0.html

[Владимир_2010]

Спасибо за ссылку, буду изучать и делать обзор литературных источников. Еще вот патент интересный нашел http://ru-patent.info/21/00-04/2100893.html (ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ), но там картинки двигателя не размещены (урезанная версия патента). Как получить картинки и полный текст патента не знаю

Сообщение отредактировал Владимир_2010 - Apr 24 2010, 07:09

[Methane]

(ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ)

посмотрите еще двигатели для авиа-судо моделистов. Там у них какие-то не детские мощности в смешных размерах.

[Владимир_2010]

А я в области авиамоделей почему то не ожидал ничего хорошего найти, потому что рассуждал так: 1. там нужны высокие обороты, следовательно момент меньше 2. эти двигатели маломощные, так как питание от аккумулятора. Хотя конечно габариты там нужны миниатюрные и на единицу массы конечно может быть и впечатляющие цифры, поэтому может и здесь стоит покопать.

[Methane]

А я в области авиамоделей почему то не ожидал ничего хорошего найти, потому что рассуждал так: 1. там нужны высокие обороты, следовательно момент меньше

Вы видели разницу в трансформаторах, которые работают на 50гц и на 50кгц?

2. эти двигатели маломощные, так как питание от аккумулятора.

Отстали вы от жизни, однако. Аккумуляторы очень далеко продвинулись по отдаваемой мощности. Если бы еще и по ёмкости так продвинулись, бензиновый двигатель был бы в прошлом.

Хотя конечно габариты там нужны миниатюрные и на единицу массы конечно может быть и впечатляющие цифры, поэтому может и здесь стоит покопать.

http://www.rctoys.com/rc-toys-and-parts/HA...ESS-MOTORS.html
Угу. К примеру.

http://www.rctoys.com/videos/draganfly-inn...content=YouTube

[Serj78]

А я в области авиамоделей почему то не ожидал ничего хорошего найти, потому что рассуждал так: 1. там нужны высокие обороты, следовательно момент меньше 2. эти двигатели маломощные, так как питание от аккумулятора. Хотя конечно габариты там нужны миниатюрные и на единицу массы конечно может быть и впечатляющие цифры, поэтому может и здесь стоит покопать.

Вообще-то, если вы ВНИМАТЕЛЬНО посмотрите, то ссылки на BLDC которые я давал это в чистом виде модельная продукция.
Начало применения этим моторам в авиамоделизме положил в 99г Peter Rother, который модифицировал созданный им мотор для рекордного "солнцемобиля". До этого большинство моторов были с редукторами, применение магнитной редукции позволило от нее отказаться. Парой лет позже появился сайт torcman.de

Пример киловаттного мотора 53г весом- именно из авиамодельной тематики.

[Serj78]

Вот еще поподробнее с анимацией движения и схемами намотки для различных коэфициентов редуукции и комбинаций полюсов статора и магнитов..
http://www.gobrushless.com/kb/index.php?ti...101_-_Chapter_3

[Владимир_2010]

Спасибо за ссылку. "Физика" двигателей такого типа мне понятна - может чуть попозже посчитаю в статике у них момент . Но вот я только конструктивно не совсем понимаю как все реализовать "в железе" и насколько надежна эта конструкция с внешним ротором. На torcman.de я посмотрел чертеж и сборку двигателя - но все равно не все элементы мне понятно как состыковать.
Кроме того - постоянные магниты мне вот чем не нравиться: в случае если надо большие моменты создавать, я просто думаю как их крепить, насколько надежна и долговечна эта конструкция при больших моментах, с учетом того что все усилие создается в углах зубцов магнита и т.д.
На какие мощности и моменты делают такие двигатели?!...
Я видел статейки по вентильным двигателям для ветрогенераторов с постоянными магнитами и там мощности были внушительные, правда и диаметр вала ротора у ветрогенераторов большой.

[asdf]

по массе - с 53г мотора с внешним ротором диаметр статора 20мм, длина 12, удается снять 1квт на выходе, при 85% кпд и воздушном охлаждении. но на 25000 об/мин

Ага, у топикстартера беспазовый двигатель на постоянных магнитах при моменте 10кНм, диаметре 0.4м, мощности 25кВт и кпд 90%, даже условно идеальный, будет иметь массу не менее 600 кг и объем порядка 60л (т.е. в Ваши габариты влезете - длина примерно 0.5м).
Правда, непонятно, зачем охлаждать водой, плотность тока всего 2.5 А/мм2.
Чтобы потребовалось водяное охлаждение нужно сильно уменьшить кпд.

На какие мощности и моменты делают такие двигатели?!...
Я видел статейки по вентильным двигателям для ветрогенераторов с постоянными магнитами и там мощности были внушительные, правда и диаметр вала ротора у ветрогенераторов большой.

Прикрепленные файлы

 motor150.pdf ( 280.19 килобайт ) Кол-во скачиваний: 74

 

[Владимир_2010]

Спасибо за ссылку. Габариты и мощность интересные. Еще бы где-нибудь посмотреть что внутри поподробней. Сайт производителя www.uqm.com облазил но везде картинки маленькие и непонятные.
У этого двигателя в доках есть такая запись: "Benefits: Liquid cooling", интересно что иметься ввиду под "жидкостным охлаждением".

[Serj78]

На какие мощности и моменты делают такие двигатели?!...

19кг, 46квт, около 2000 об/мин. это двигатель для планера, уже упоминал. поищу ссылки.
Магниты крепятся в специальные профрезерованые пазы. внешний магнитопровод стальной, внутренняя обойма с пазами для магнитов (клетка) дюралевая. Все это дело склеивается на аэроэнобный клей.

[Methane]

аэроэнобный клей.

Шо это?

[asdf]

У этого двигателя в доках есть такая запись: "Benefits: Liquid cooling", интересно что иметься ввиду под "жидкостным охлаждением".

Статор охлаждается проточной водой. А обмотки уже сбрасывают тепло в металл статора.

[Serj78]

Шо это?

Пардон, неверно написал.

Анаэробный

http://industrialsolutions.ru/products/loc...tite_anaerobic1

[evgeny_ch]

С водой охлаждение у автора явно не получится.
Рекомендую охлаждать литием. Авось пронесёт.
Если нет лития, можно натрием.

Сообщение отредактировал evgeny_ch - Apr 26 2010, 16:42