Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля
The research results for the magnetic systems of cylindrical-type permanent-magnet electrical machines are presented. An approach to the design of combined magnetic systems with complex configurations of permanent magnets and ferroceramic stator frameworks is proposed and analyzed. It has been shown...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4733 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859634142361157632 |
|---|---|
| author | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. |
| author_facet | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. |
| citation_txt | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The research results for the magnetic systems of cylindrical-type permanent-magnet electrical machines are presented. An approach to the design of combined magnetic systems with complex configurations of permanent magnets and ferroceramic stator frameworks is proposed and analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows one to increase the magnetic flux density in air gaps and the linear electric loading of electric machines with double rotor.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:14:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
6 • 2008
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.17
© 2008
А.А. Афонин, В. В. Гребеников
Инновационные технологии электрических машин
с постоянными магнитами и двухсторонним
возбуждением магнитного поля
(Представлено академиком НАН Украины А.В. Кириленко)
The research results for the magnetic systems of cylindrical-type permanent-magnet electri-
cal machines are presented. An approach to the design of combined magnetic systems with
complex configurations of permanent magnets and ferroceramic stator frameworks is proposed
and analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows
one to increase the magnetic flux density in air gaps and the linear electric loading of electric
machines with double rotor.
В настоящее время наблюдается тенденция возрастания технических показателей испол-
нительных устройств за счет разработки и внедрения новых технологий в современных
электромеханических преобразователях энергии (ЭМПЭ), обеспечивающих полное исполь-
зование материалов и улучшенные коэффициенты использования объема ЭМПЭ [1–3].
Проводимые нами работы в этом направлении предусматривали разработку и реализа-
цию следующих научно-технических заданий:
инновационные системы возбуждения на основе нормальных и тангенциональных сег-
ментов постоянных магнитов и ферромагнитных концентраторов магнитных потоков со
специальными, соответствующими поставленной задаче формами и поперечными сечени-
ями, обеспечивающими значительное повышение величины плотности магнитной энергии
в области энергопреобразования;
синтез заданного распределения продольной компоненты магнитной индукции в воз-
душном зазоре ЭМПЭ: синусоидального — для машин типа BLDC (Brushless Direct Current)
и трапецеидального — для машин типа PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor); син-
тез однородного магнитного поля в рабочей области магнитных систем цилиндрической
конфигурации;
концепция построения и теоретические основы оптимального проектирования ЭМПЭ
контрроторного движения, обеспечивающих совмещение в одном устройстве применяемых
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 87
до сих пор двух классических электрических машин, развитие теории нетрадиционных
ЭМПЭ дисковой конфигурации;
процедуры проектирования и компьютерное моделирование с целью разработки аде-
кватных математических моделей;
экспериментальные исследования на физических моделях с целью проведения выбора
наиболее рациональных конструктивных решений с учетом следующих критериев: мини-
мальная масса и габариты ЭМПЭ, энергосбережение и энергоэффективность, высокие ди-
намические характеристики;
способы минимизации пульсаций электромагнитного момента в зубцово-пазовых струк-
турах, улучшение технических и эксплуатационных характеристик электрических машин
нового поколения с максимальным удельным электромагнитным моментом, минимальными
габаритными размерами, высоким кпд энергопреобразования и минимальными уровнями
шумов и вибраций;
принципы конструирования и построения нового типа ЭМПЭ с концентрацией энергии
магнитного поля в рабочем зазоре;
технология производства ЭМПЭ нового поколения.
Поскольку в последнее время накоплена новая база знаний в области современной элект-
ромеханики и получены новые результаты в электронике, микропроцессорной технике и ма-
териаловедении, то в течение последних лет наше внимание было сконцентрировано на
исследованиях инновационных магнитных систем ЭМПЭ с повышенной плотностью маг-
нитной энергии и заданным характером распределения магнитного поля [1, 2, 4]. Эти ис-
следования стимулируются непрерывно растущими техническими требованиями к характе-
ристикам наукоемкой продукции, а также ставшими актуальными задачами энергосбере-
жения и ресурсосбережения. Из обзора современных решений ЭМПЭ и их приложений
в робототехнике, автоматике, автоматизированном электроприводе, транспортных систе-
мах, океанотехнике, электромагнитных накопителях энергии следует отметить, что особый
интерес для разработчиков представляют технологии SEMA (Segmented Electromagnetic
Array) и концепция Клауса Хальбаха [3]. На основе сопоставления и критического анализа
существующих разработок можно утверждать, что одним из перспективных типов ЭМПЭ
является гладкая беспазовая структура статора с увеличенным зазором для размещения
в нем обмоток управления и двухсторонней магнитной системой составного ротора с набо-
рами постоянных магнитов. Увеличенный рабочий зазор позволяет разместить в нем доста-
точно большое количество активных проводников и обеспечить высокую линейную токовую
нагрузку без повышения плотности токов в проводниках обмоток управления, приводяще-
го к росту потерь (потери пропорциональны квадрату плотности тока) и, как следствие,
к снижению КПД ЭМПЭ.
В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана и апроби-
рована технология инновационных электрических машин нового поколения, характеризу-
ющихся следующими показателями:
высокие значения кпд преобразования электрической энергии в механическую η (0,95–
0,99);
возможность получения высоких значений продольной компоненты магнитной индук-
ции в области электромеханического преобразования энергии (в рабочем зазоре), дости-
гающих величин Bδn = (1,9 ÷ 2,1) Tл, и ограниченных только явлениями, связанными
с насыщением известных ферромагнитных материалов, что значительно превышает обычно
достигаемые величины, составляющие около 1,1 Тл. На примере магнитной системы с кон-
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
центраторами магнитного поля установлено, что хотя используемые в эксперименте посто-
янные магниты имеют величину остаточной магнитной индукции Br = 1,23 Tл, в рабочем
зазоре может быть получена величина продольной компоненты магнитной индукции в за-
зоре By max = 1,991 Tл, что свидетельствует о возможности построения магнитных систем
с высокой плотностью магнитной энергии;
рекордно высокие удельные показатели по мощности на единицу активной массы pem =
= Pev/m и на единицу активного объема pev = Pev/V , составляющие, например pem =
= (5,0 ÷ 6,0) кВт/кг pem = (30,0 ÷ 40,0) кВт/л при скорости вращения n = 6000 об/мин;
высокие удельные показатели по развиваемому электромагнитному моменту на единицу
активной массы Mem= Mev/m и на единицу активного объема Mev= Mev/V;
малые как электромагнитные T e, так и и электромеханические T em постоянные вре-
мени электрических машин;
высокие динамические показатели и высокое качество движения согласно заданной тра-
ектории с управлением динамическими состояниями, высокая точность позиционирования;
отсутствие пульсаций электромагнитного момента;
практическое отсутствие магнитных шумов и минимальный уровень вибраций, обуслов-
ленных только погрешностями изготовления сопряженных механических частей;
отсутствие потерь как на гистерезис, так и на перемагничивание ферромагнитных эле-
ментов магнитной системы, практическое отсутствие реакции якоря;
облегченные условия работы подшипниковых узлов;
линейная зависимость между током питания и величиной развиваемого на валу эле-
ктрической машины электромагнитного момента;
Вместе с тем достигаемые показатели не являются предельными и могут быть повыше-
ны, если применить конструкцию статора с измельченной структурой активного токового
слоя.
На рис. 1 показан пример ЭМПЭ цилиндрической конфигурации, который содержит
статор с системой трехфазных обмоток, расположенных на каркасе из ферромагнитной
керамики, и двухсторонний ротор с наружной и внутренней частями и наборами радиально
намагниченных постоянных магнитов, охватывающих статор с обеих сторон (рис. 1, а). На
рис. 1, б показан пример расположения в пазах феррокерамического каркаса двухслойных
трехфазных обмоток статора. Можно также использовать двойную двухслойную (четы-
рехъярусную) структуру обмоток, при которой в каждом, как внутреннем, так и наружном
пазу статора располагается своя собственная двухслойная структура обмоток управления.
В качестве материала для каркаса статора выбрана керамика с наполнителем из фер-
ромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью µk = (30 ÷ 100)µ0,
µ0 = 0,4π · 10−6 Гн/м. Для каркаса также можно использовать материалы фирмы Hoganas
на основе ферромагнитных порошков типа Somaloy500 и Somaloy700, которые имеют ве-
личины относительной магнитной проницаемости соответственно: µkS500 = 500µ0, µkS700 =
= 700µ0 и в настоящее время широко доступные на рынке для промышленного применения.
Система возбуждения состоит из намагниченных в радиальном направлении с формирова-
нием переменно-полюсной поляризации высокоэнергетических постоянных магнитов типа
NdFeB, имеющих остаточную магнитную индукцию Br = 1,256 Тл, коэрцитивную силу
HcB = 1000 кА/м и µPM = 1,3µ0.
На рис. 2 показаны кривые распределения магнитных силовых линий в исследуемой
модели g320 30 при плотности тока в обмотках управления jCu = 2,5 А/мм2. Можно заме-
тить, что магнитные потоки в основном замыкаются по радиальным клиньям феррокера-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 89
Рис. 1. Пример ЭМПЭ цилиндрической конфигурации: а — структура цилиндрического ЭМПЭ; б — гео-
метрия модели; в — конструктивное исполнение феррокерамического каркаса; г — способ укладки обмоток
фазы
мического каркаса статора и величина потоков, протекающих в азимутальном направлении,
является малой и практически ею можно пренебречь.
На рис. 3 приведена зависимость нормальной составляющей индукции Bδr в наружном
зазоре вдоль двух полюсных делений при плотности тока JCu = 2,5 А/мм2, из рассмотрения
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
Рис. 2. Кривые распределения магнитного поля в магнитной системе модели g320 30 при плотности тока
в обмотках управления jCu = 2,5 А/мм2
Рис. 3. Графики зависимости нормальной составляющей индукции Bδr в наружном зазоре (r = 160,5 мм)
вдоль двух полюсных делений 2τS при плотности тока в обмотках управления JCu = 2,5 А/мм2
которого заметно, что введение феррокерамического каркаса статора позволяет повысить
величину магнитной индукции в зазоре.
Электромагнитный момент определяется путем интегрирования по области статора в ра-
диальном направлении от ri = 130 мм (внутренний радиус статора) re = 160 мм (внешний
радиус статора) и в азимутальном направлении (по координате ϕ) от 0 до 2π
Med =
re=160∫
ri=130
2π∫
0
kBkABδ(r, ϕ)Aa(r, ϕ)r drdϕ, (1)
где kB — коэффициент функции распределения магнитной индукции; kA — коэффициент
функции распределения линейной токовой нагрузки; Bδ — величина магнитной индукции;
Aa — величина линейной токовой нагрузки статора.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 91
Рис. 4. Графики зависимости развиваемого ЭМПЭ электромагнитного момента от магнитной проницаемо-
сти феррокерамического каркаса
Электромагнитный момент ЭМПЭ равен:
Me = MedLэф, (2)
где Lэф — эффективная длина ЭМПЭ в аксиальном направлении.
Электромагнитная мощность ЭМПЭ составляет
Pe = Meω. (3)
Здесь ω — циклическая частота вращения ротора ЭМПЭ, ω = 2πn/60; n — скорость вра-
щения вала ротора в об/мин (число оборотов в минуту).
В табл. 1 приведены величины электромагнитного момента Me и максимальных значе-
ний продольной компоненты магнитной индукции в зазоре Mn max при вариации величина-
ми плотности тока в обмотках управления JCu = [(1,5 ÷ 3,0) А/мм2] для разных значений
магнитной проницаемости феррокерамического каркаса µk = [(1,0÷700,0)µ0]. Следует отме-
тить, что введение каркаса с магнитной проницаемостью µk = 30,0µ0 при плотности тока
JCu = 2,5 А/мм2 приводит к росту электромагнитного момента:
Me(µk = 30)/Me(µk = µ0) = 90,6/32,2 = 2,81 раза.
На рис. 4 показаны графики зависимости развиваемого электромагнитного момента ЭМ-
ПЭ с аксиальной длиной Lэф = 50 мм от магнитной проницаемости феррокерамического
каркаса.
Таблица 1
µk
JCu = 1,5 А/мм2
JCu = 2,0 А/мм2
JCu = 2,5 А/мм2
JCu = 3,0 А/мм2
Me, Нм Mn max, Тл Me, Нм Mn max, Тл Me, Нм Mn max, Тл Me, Нм Mn max, Тл
1 19,95 0,251 26,05 0,255 32,2 0,259 38,4 0,263
30 55,15 0,594 72,75 0,599 90,6 0,583 108,25 0,620
100 68,15 0,696 90,1 0,708 112 0,721 133,8 0,733
500 75,2 0,768 99,4 0,782 123,45 0,796 147,5 0,810
700 75,75 0,774 100,15 0,788 124,4 0,802 148,65 0,855
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №6
Можно заметить, что применение ферромагнитных каркасов даже с относительно не-
высокой относительной магнитной проницаемостью µk = 30µ0 позволяет получить величи-
ну развиваемого электромагнитного момента Me = 100 Нм и при скорости n = 3000 об/мин
мощность такого ЭМПЭ составит свыше 30 кВт.
Таким образом, можно утверждать, что использование ферромагнитных каркасов тол-
щиной, например, δk = 2 мм, позволяет формировать структуры ЭМПЭ с повышенными
значениями линейной токовой нагрузки и получать при этом весьма высокую индукцию
магнитного поля в областях зазора и статорного каркаса. При этом за счет применения
известного способа скоса пазов ферромагнитных каркасов можно добиться уменьшения
уровня пульсаций электромагнитного момента.
1. Афонин А.А. Магнитные системы электромеханических преобразователей энергии с вариацией век-
торов намагниченности постоянных магнитов // Техн. електродинамiка. – 2004. – № 1. – С. 47–55.
2. Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P. Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacja̧ elektroni-
czna̧. – Szczecin: Wyd. Politechniki Szczecińskiej, 2000. – 242 s.
3. Afonin A. Permanent magnet brushless motors with innovative excitation systems // Proc. of the 6th
Intern. Conf. on Electromechanical and Electrical Systems UEES’04. – Ukraine, 2004. – Vol. 1. – P. 27–38.
4. Гребеников В. В. Исследование магнитных полей в электрических машинах с различной ориентаци-
ей векторов намагниченности постоянных магнитов // Техн. електродинамiка. Тем. вип. “Проблеми
сучасної електротехнiки”. – 2004. – Ч. 5. – С. 47–50.
Поступило в редакцию 10.09.2007Щецинский политехнический институт, Польша
Институт электродинамики НАН Украины, Киев
УДК 621.3.(575)
© 2008
Член-корреспондент НАН Украины А.Е. Божко
О новых формулах средних значений напряжения, тока
и мощности в электроцепи с управляемыми диодами
On the basis of the singular expansion of a jump-like function, the mean value of a sinusoidal
voltage shifted by phase is obtained.
Управляемое напряжение постоянного тока, получаемое в результате двухполупериодно-
го выпрямления переменного синусоидального напряжения сети с помощью управляемых
диодов (тиристоров), широко используется в различных областях промышленности: галь-
ваническое производство, зарядка аккумуляторных батарей, химическое производство, для
источников управляемого постоянного напряжения и т. д.
В основном в указанных производствах технологические процессы формируются по-
средством действия среднего значения выпрямляемого и управляемого синусоидального
напряжения U(t) = Ua sin ωt, где Ua — амплитуда; ω — круговая частота (ω = 2πf , f —
частота, Гц); t — время. При управлении выходного напряжения выпрямителя последнее
Uвых сдвигается относительно нуля на угол ϕ, т. е. на угол открывания управляемого диода.
Вид такого напряжения приведен на рис. 1. Здесь же показано среднее напряжение Ucp.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №6 93
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4733 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:14:25Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. 2009-12-22T10:54:33Z 2009-12-22T10:54:33Z 2008 Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2008. — № 6. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4733 621.313.17 The research results for the magnetic systems of cylindrical-type permanent-magnet electrical machines are presented. An approach to the design of combined magnetic systems with complex configurations of permanent magnets and ferroceramic stator frameworks is proposed and analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows one to increase the magnetic flux density in air gaps and the linear electric loading of electric machines with double rotor. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Енергетика Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля Article published earlier |
| spellingShingle | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля Афонин, А.А. Гребеников, В.В. Енергетика |
| title | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| title_full | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| title_fullStr | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| title_full_unstemmed | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| title_short | Инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| title_sort | инновационные технологии электрических машин с постоянными магнитами и двухсторонним возбуждением магнитного поля |
| topic | Енергетика |
| topic_facet | Енергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4733 |
| work_keys_str_mv | AT afoninaa innovacionnyetehnologiiélektričeskihmašinspostoânnymimagnitamiidvuhstoronnimvozbuždeniemmagnitnogopolâ AT grebenikovvv innovacionnyetehnologiiélektričeskihmašinspostoânnymimagnitamiidvuhstoronnimvozbuždeniemmagnitnogopolâ |