Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами
Наведено результати дослiдження розподiлу магнiтного поля i електромагнiтних моментiв для трьох типiв магнiтних систем електричних машин з постiйними магнiтами цилiндричної конфiгурацiї. Запропонований i проаналiзований пiдхiд до побудови магнiтних систем ротора складної конфiгурацiї, що складається...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8517 |
| 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: | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859652399121039360 |
|---|---|
| author | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. |
| author_facet | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. |
| citation_txt | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Наведено результати дослiдження розподiлу магнiтного поля i електромагнiтних моментiв для трьох типiв магнiтних систем електричних машин з постiйними магнiтами цилiндричної конфiгурацiї. Запропонований i проаналiзований пiдхiд до побудови магнiтних систем ротора складної конфiгурацiї, що складається з постiйних магнiтiв i феромагнiтних сегментiв. Показано, що використання таких магнiтних систем дозволяє набувати пiдвищених значень як iндукцiї магнiтного поля в повiтряному зазорi, так i електромагнiтних моментiв в цилiндричних електричних машинах з подвiйним ротором.
The research results on the magnetic field distribution and electromagnetic torques for three cylindrical types of magnetic systems of electrical machines with permanent magnets of cylindrical configuration are presented. An approach to design combined magnetic systems with complex configurations of a rotor consisting of permanent magnets and ferromagnetic segments is proposed and analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows one to improve the magnetic flux density in the air gap and electromagnetic torques in cylindrical electric machines with double rotor.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:35:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
5 • 2009
ЕНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.17
© 2009
А.А. Афонин, В. В. Гребеников
Исследования беспазовых электрических машин
с постоянными магнитами
(Представлено академиком НАН Украины А.В. Кириленко)
Наведено результати дослiдження розподiлу магнiтного поля i електромагнiтних мо-
ментiв для трьох типiв магнiтних систем електричних машин з постiйними магнi-
тами цилiндричної конфiгурацiї. Запропонований i проаналiзований пiдхiд до побудови
магнiтних систем ротора складної конфiгурацiї, що складається з постiйних магнiтiв
i феромагнiтних сегментiв. Показано, що використання таких магнiтних систем доз-
воляє набувати пiдвищених значень як iндукцiї магнiтного поля в повiтряному зазорi,
так i електромагнiтних моментiв в цилiндричних електричних машинах з подвiйним
ротором.
В течение последних лет проводятся исследования новых типов магнитных систем элект-
ромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) с повышенной величиной магнитной
индукции и требуемым законом распределения магнитного поля в рабочем зазоре [1–6].
Эти исследования стимулируются как непрерывно растущими техническими требованиями
к характеристикам наукоемкой продукции, так и ставшими особо актуальными в последнее
время задачами энерго- и ресурсосбережения. Из обзора современных технических реше-
ний ЭМПЭ и их приложений в робототехнике, автоматике, автоматизированном электро-
приводе, транспортных системах, океанотехнике, электромагнитных накопителях энергии
следует отметить технологию ThinGap [6], которая представляет особый интерес для раз-
работчиков. В этой технологии используются трехфазные беспазовые обмотки управления
специального типа и ротор с постоянными магнитами и ферромагнитными замыкателями
магнитных потоков.
Фирма ThinGap разработала новую технологию с целью улучшения показателей элект-
рических машин и обеспечения высоких значений кпд и большой величины отношения
электромагнитного момента к массе ЭМПЭ. При этом фирма использует собственное ори-
гинальное оборудование для производства отдельных компонентов, в частности обмоток
управления, а сам технологический процесс производства является уникальным и обеспечи-
вает высокую точность изготовления, что является важным для получения малых воздуш-
ных зазоров с целью максимизации величины магнитной индукции. Поскольку двигатели
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 99
не имеют пакетов стали и зубцов, в них исключены паразитные моменты, потери в железе
и другие нежелательные явления. Такая технология находит применение там, где требу-
ется электропривод небольшой мощности с большими величинами развиваемого момента
и высокими значениями кпд энергопреобразования.
Цель работы заключается в исследовании и сопоставлении результатов моделирования
трех типов магнитных систем ЭМПЭ: модели 1, являющейся аналогом технологии Thin-
Gap, модели 2 с двухсторонним расположением постоянных магнитов (ПМ), модели 3 с
двухсторонним расположением ПМ и концентраторами магнитных потоков.
Показанные на рис. 1–3 результаты моделирования моделей 1–3 свидетельствуют о том,
что конфигурация магнитных систем существенно влияет на показатели ЭМПЭ. В моде-
лях 1–3 величины размеров статора являются идентичными, количество полюсов равно
2p = 16, а результаты моделирования сопоставляются при равных величинах линейной
токовой нагрузки. В качестве материала ротора использована электротехническая сталь
с относительно большой магнитной проницаемостью.
На рис. 1, а показан ЭМПЭ цилиндрической конфигурации, состоящий из статора
с системой трехфазных обмоток и двухстороннего ротора с наборами радиально нама-
гниченных ПМ на внутренней части и ферромагнитным сердечником на внешней части.
Рис. 1, б демонстрирует распределение радиальной составляющей индукции магнитного
поля, а рис. 1, в — пример специального исполнения располагаемых в области статора
ЭМПЭ трехфазных обмоток управления.
На рис. 2 изображена структура цилиндрического ЭМПЭ с двухсторонним ротором.
Система магнитного возбуждения ротора состоит из намагниченных в радиальном направ-
лении с формированием переменно-полюсной поляризации высокоэнергетических постоян-
ных магнитов типа NdFeB, имеющих, как и в примере на рис. 1, остаточную магнитную
индукцию Br = 1,256 Тл, коэрцитивную силу HcB = 1000 кА/м и собственную магнитную
проницаемость µPM = 1,03µ0.
Следующий этап повышения характеристик ЭМПЭ заключается в применении магнит-
ных систем с концентраторами магнитного поля. При этом можно получать как высокие
значения радиальной составляющей магнитной индукции в зазоре Bδr, так и линейной то-
ковой нагрузки Aa. Обычно для получения высокого коэффициента использования объема
ЭМПЭ увеличивают один из параметров — Bδr или Aa. В рассматриваемых ЭМПЭ с по-
стоянными магнитами максимизация произведения Aa · Bδr связана с альтернативой. Так,
с одной стороны, выбор малого воздушного зазора δ с целью получения высокой индукции
Bδr ведет к ограничению количества меди и уменьшению линейной токовой нагрузки Aa.
Выбор же большой величины δ ведет к росту Aa, однако при этом уменьшается Bδr. Для
устранения этого противоречия предлагается вместо традиционных структур применять
магнитные системы с двухсторонним расположением постоянных магнитов и концентрато-
ров магнитного поля (см. рис. 3), в которых величины как Bδr, так и Aa могут достигать
высоких значений.
На рис. 3 показана двухсторонняя магнитная система с соответствующим располо-
жением ПМ, позволяющим обеспечить концентрацию магнитного поля в рабочем зазоре
ЭМПЭ.
На рис. 4 представлены графики распределения радиальных компонент индукции маг-
нитного поля на образующей, выбранной посредине обмоток управления для трех исследу-
емых моделей 1–3. Результаты приведены для интервала в пределах трех полюсных деле-
ний 3τS . Из сопоставления графиков видно, что магнитное поле в модели 3 (с двухсторон-
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
Рис. 1. Модель 1 с двухсторонним ротором и наборами ПМ на внутренней и ферромагнитным сердечником
на внешней частях: а — геометрия модели 1; б — картина магнитного поля модели; в — обмотки управления
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 101
Рис. 2. Модель 2 цилиндрического ЭМПЭ с двухсторонним ротором: а — геометрия модели; б — картина
магнитного поля модели
ним ротором и концентраторами магнитного поля) существенно больше как по сравнению
с моделью 2 (с двухсторонним ротором), так и по сравнению с моделью 1 (с односторонней
магнитной системой и ферромагнитным замыкателем на внешней стороне).
Предлагаемые конструкции характеризуются высокой динамикой и низким уровнем шу-
мов и вибраций ввиду прецизионного размещения элементов обмоток управления и есте-
ственного сглаживания распределения величины магнитного потока в рабочем зазоре. Та-
ким способом можно даже получить постоянную величину развиваемого момента, не зави-
сящего от положения ротора.
Заметим, что охлаждение в рассматриваемых примерах конструкций ЭМПЭ может
быть весьма эффективным, поскольку как вокруг внешней, так и внутренней поверхностей
неподвижного статора свободно перемещаются воздушные потоки. Предложенные струк-
туры обмоток управления имеют очень малые величины сопротивления, благодаря чему
можно значительно уменьшить омические потери ЭМПЭ.
В табл. 1 приводятся величины электромагнитных моментов Me и максимальной ин-
дукции магнитного поля Bn max на образующей посредине обмоток управления для трех
исследуемых моделей при вариации величиной плотности токов JCu в обмотках управле-
ния и осевой длине ЭМПЭ, составляющей La = 5 · 10
−3 м.
102 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
Рис. 3. Модель 3 цилиндрического ЭМПЭ с двухсторонним ротором и концентраторами магнитного поля:
а — геометрия модели; б — картина магнитного поля модели
Рис. 4. Распределение магнитной индукции на линии посредине обмоток управления для трех моделей
ЭМПЭ
Из таблицы видно, что наиболее высокие показатели электромагнитных моментов Me
и максимальной индукции магнитного поля Bnmax имеются в модели 3 с концентраторами
магнитного поля, в моделях 1 и 2 эти показатели значительно меньше, причем показатели
в моделях 1 и 2 близки. Следует отметить также, что в моделях 1–3 величина максимальной
индукции магнитного поля Bn max практически не зависит от величины плотности токов JCu
в обмотках управления, что свидетельствует о превалировании магнитного поля ПМ. Ре-
Таблица 1
Номер
модели
JCu = 1,5 А/мм2
JCu = 2,0 А/мм2
JCu = 2,5 А/мм2
JCu = 3,0 А/мм2
Bn max, Тл Me, Нм Bn max, Тл Me, Нм Bn max, Тл Me, Нм Bn max, Тл Me, Нм
1 0,246 1,86 0,247 2,48 0,248 3,1 0,249 3,71
2 0,365 2,78 0,365 3,72 0,367 4,66 0,368 5,6
3 0,98 7,71 0,99 10,29 0,99 12,88 1,0 15,49
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 103
зультаты моделирования показывают, что в модели 3 наблюдаются наибольшая плотность
магнитной энергии и величина электромагнитного момента и поэтому следует ожидать,
что кпд ЭМПЭ будет очень высоким. Обмотки управления, составляющие статор моде-
лей 1–3, имеют очень малые постоянные времени, что существенно влияет на повышение
динамических характеристик. Отметим, что все железные части ротора вращаются вместе
с постоянными магнитами, а момент удерживания и пульсации электромагнитного момента
минимальны. Отсутствие железа в статоре исключает радиальные силы между статором
и ротором, что очень существенно для тех приложений, в которых стабильность скорости
ротора очень важна. ЭМПЭ быстро реагируют на сигналы системы управления и имеют
низкий уровень гармоник.
Итак, выполненные исследования показывают, что структура магнитной системы зна-
чительно влияет на величину магнитной индукции в зазоре и, следовательно, на электро-
магнитные характеристики ЭМПЭ. Можно утверждать, что ЭМПЭ перспективного типа
должен представлять собой систему, состоящую из гладкого беспазового статора, выпол-
ненного в виде трехфазных обмоток управления, и двухстороннего ротора, состоящего из
магнитных систем, образованных наборами ПМ и ферромагнитных концентраторов магни-
тного поля.
1. Afonin A.A., Gieras J., Szymczak P. Permanent magnet brushless motors with innovative excitation
systems. – Proc. 6th Intern. Conf. on Unconventional Electromech. and Electric. Systems UEES’04. –
Alushta, Ukraine, September 24–29, 2004. – Vol. 1. – P. 27–38.
2. Afonin A.A. Cylindrical-type permanent magnet electrical machines // Przeglad Elektrotechniczny. –
2007. – No 11. – P. 149–152.
3. Афонин А.А. Магнитные системы электромеханических преобразователей энергии с вариацией век-
торов намагниченности постоянных магнитов // Техн. електродинамiка. – 2004. – № 1. – С. 47–55.
4. Afonin A. Permanent magnet brushless motors with innovative excitation systems // Proc. of the 6th
Intern. Conf. on Electromech. and Electric. Systems UEES’04. – Ukraine, 2004. – Vol. 1. – P. 27–38.
5. Гребеников 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.
6. http://www.thingap.com/news/articles/pr052306.htm.
Поступило в редакцию 09.09.2008Щецинский политехнический институт, Польша
Институт электродинамики НАН Украины, Киев
A.A. Afonin, V. V. Grebenikov
Research of slotless electric machines with permanent magnets
The research results on the magnetic field distribution and electromagnetic torques for three cyli-
ndrical types of magnetic systems of electrical machines with permanent magnets of cylindrical
configuration are presented. An approach to design combined magnetic systems with complex confi-
gurations of a rotor consisting of permanent magnets and ferromagnetic segments is proposed and
analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows one to
improve the magnetic flux density in the air gap and electromagnetic torques in cylindrical electric
machines with double rotor.
104 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8517 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:35:35Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Афонин, А.А. Гребеников, В.В. 2010-06-04T15:08:24Z 2010-06-04T15:08:24Z 2009 Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами / А.А. Афонин, В.В. Гребеников // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8517 621.313.17 Наведено результати дослiдження розподiлу магнiтного поля i електромагнiтних моментiв для трьох типiв магнiтних систем електричних машин з постiйними магнiтами цилiндричної конфiгурацiї. Запропонований i проаналiзований пiдхiд до побудови магнiтних систем ротора складної конфiгурацiї, що складається з постiйних магнiтiв i феромагнiтних сегментiв. Показано, що використання таких магнiтних систем дозволяє набувати пiдвищених значень як iндукцiї магнiтного поля в повiтряному зазорi, так i електромагнiтних моментiв в цилiндричних електричних машинах з подвiйним ротором. The research results on the magnetic field distribution and electromagnetic torques for three cylindrical types of magnetic systems of electrical machines with permanent magnets of cylindrical configuration are presented. An approach to design combined magnetic systems with complex configurations of a rotor consisting of permanent magnets and ferromagnetic segments is proposed and analyzed. It has been shown that the application of the proposed magnetic systems allows one to improve the magnetic flux density in the air gap and electromagnetic torques in cylindrical electric machines with double rotor. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Енергетика Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами Research of slotless electric machines with permanent magnets Article published earlier |
| spellingShingle | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами Афонин, А.А. Гребеников, В.В. Енергетика |
| title | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| title_alt | Research of slotless electric machines with permanent magnets |
| title_full | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| title_fullStr | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| title_full_unstemmed | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| title_short | Исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| title_sort | исследования беспазовых электрических машин с постоянными магнитами |
| topic | Енергетика |
| topic_facet | Енергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8517 |
| work_keys_str_mv | AT afoninaa issledovaniâbespazovyhélektričeskihmašinspostoânnymimagnitami AT grebenikovvv issledovaniâbespazovyhélektričeskihmašinspostoânnymimagnitami AT afoninaa researchofslotlesselectricmachineswithpermanentmagnets AT grebenikovvv researchofslotlesselectricmachineswithpermanentmagnets |