Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ РОТОРА НА ИНДУКЦИЮ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Исмагилов Ф.Р. 1 Вавилов В.Е. 1 Каримов Р.Д. 1 Гайсин Р.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Важной задачей при проектировании высокооборотных электромеханических преобразователей энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами является определение такой формы постоянных магнитов, при которой масса электромеханического преобразователя будет минимальной, индукция, создаваемая постоянными магнитами в воздушном зазоре, будет максимальной, при этом кривая магнитной индукции будет синусоидальной, а потери энергии в электромеханическом преобразователе будут минимальными. Поэтому целью статьи являются исследования влияния формы постоянных магнитов ротора на характеристики электромеханического преобразователя энергии. Достижение поставленной цели осуществляется путем исследования магнитного поля ротора с постоянными магнитами численными методами с использованием программного пакета Ansoft Maxwell. При этом рассматриваются четыре формы постоянных магнитов ротора электромеханического преобразователя энергии. В результате исследований определяется оптимальная форма постоянных магнитов ротора с точки зрения механических характеристик ротора и максимума магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами.
преобразователи энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами
электромеханические преобразователи энергии
высокооборотные преобразователи энергии
диаметральное намагничивание
Ansoft Maxwell
преобразователи энергии
1. Гребеников В.В., Прыймак М.В. Исследование влияния конфигурации магнитной системы на моментные характеристики электродвигателей с постоянными магнитами // Электротехника и электроэнергетика. – 2009. – 2. – С. 57–60.
2. Зарицкая Е.И. Оценка влияния конфигурации магнитной системы на характеристики тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами // Электротехника и электромеханика. – 2012. – № 1. – С. 28–32.
3. Исмагилов Ф.Р., Герасин А.А., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. Электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. – М.: Машиностроение, 2014. – 262 с. ISBN 978-5-94275-755-7.
4. Advanced MicroTurbine System. REVIEW © 2002. Capstone Turbine Corporation // [Электронный ресурс]. – URL: http://www.microturbine comю (дата обращения 21.07.2012).
5. Bailey C., Saban D., Guedes-Pinto P. Design of High-Speed Direct-Connected Permanent-Magnet Motors and Generators for the Petrochemical Industry // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2009. – Vol. 45. – № 3. – P. 1159–1165.
6. Dong-Kyun Woo, Il–Woo Kim, Hyun-Kyo Jung Optimal Rotor Structure Design of Interior Permanent Magnet Synchronous Machine based on Efficient Genetic Algorithm Using Kriging Model // Journal of Electrical Engineering & Technology. – 2012. – Vol. 7, № 4. – Р. 530–537.
7. El–Hasan T., Luk P. Magnet topology optimization to reduce harmonics in high-speed axial flux generators // IEEE Transactions on Magnetics. – 2003. – Vol. 39. – № 5. – P. 3340–3342.
8. Kolehmainen, J. Optimal Dovetail Permanent Magnet Rotor Solutions for Various Pole Numbers // Industrial Electronics, IEEE Transactions on. – 2009. – Vol. 57, Issue 1. – Р. 70–77
9. Li W., Zhang X., Cheng S. Thermal Optimization for a HSPMG Used for Distributed Generation Systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2013. – Vol. 60. – № 2. – P. 474–482.

Важной задачей при проектировании высокооборотных электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ) является определение такой формы ВПМ, при которой масса ЭМПЭ будет минимальной, индукция, создаваемая ВПМ в воздушном зазоре, будет максимальной, при этом кривая магнитной индукции будет синусоидальной, а потери энергии в ЭМПЭ при этом будут минимальными [1].

Задачам исследования влияния формы ВПМ ротора ЭМПЭ посвящены работы [2–5], в которых рассматриваются либо роторы коллекторного типа, либо решаются задачи сравнения энергетических характеристик ротора коллекторного типа и ротора с призматическими или цилиндрическими магнитами. При этом решению задачи оптимизации формы ВПМ ротора с призматическими и цилиндрическими ВПМ, намагниченными в диаметральном направлении, практически не уделяется внимания. Хотя последние находят широкое применение в высокооборотных ЭМПЭ [6–8] для децентрализованной энергетики, авиакосмической промышленности и судостроения.

В связи с этим задачей данной работы являются исследования влияния формы ВПМ ротора с призматическими и цилиндрическими магнитами, намагниченными в диаметральном направлении, на характеристики ЭМПЭ.

Решение поставленной задачи осуществляется численными методами с использованием программного пакета Ansoft Maxwell. При этом рассматриваются четыре формы ВПМ ротора (рис. 1 а, г) для высокооборотного ЭМПЭ (частота вращения более 24 000 об/мин).

pic_15.tif

Рис. 1. Исследуемые формы ВПМ ротора

pic_16.tif

а

pic_17.tif

б

Рис. 2. Спектр распределения магнитной индукции для ВПМ: а – для ВПМ формы по рис. 1а; б – для ВПМ формы по рис. 1в

В результате решения поставленной задачи было получено распределение магнитного поля в воздушном зазоре ЭМПЭ при холостом ходе для каждой рассматриваемой геометрической формы (рис. 2 а, б).

В результате решения поставленной задачи было получено распределение магнитного поля в магнитной цепи ЭМПЭ при холостом ходе для каждой рассматриваемой геометрической формы (рис. 2).

А также были получены зависимости распределения магнитной индукции от величины b (рис. 1), которые были с помощью функций Ansoft Maxwell разложены в ряд Фурье с целью определения их гармонического состава. На рис. 3, 4, 5 представлены зависимости 1, 3 и 5 гармоник для каждой исследуемой формы ВПМ ротора.

pic_18.tif

Рис. 3. Зависимость 1, 3 и 5 гармоник для ВПМ формы по рис. 1 г

pic_19.tif

Рис. 4. Зависимость 1, 3 и 5 гармоник для ВПМ формы по рис. 1 б

Из зависимостей, представленных на рис. 3, видно, что с увеличением величины b для исследуемых численных параметров для ВПМ формы по рис. 1 г увеличивается первая гармоническая составляющая (при увеличении величины b с 1,25 до 2,25 первая гармоническая составляющая увеличивается на 8 %), при этом третья и пятая гармонические составляющие снижаются на 3–4 %. Другими словами, при неизменном воздушном зазоре, при применении ВПМ в формы по рис. 1 г можно ожидать увеличение мощности на 17–18 %, а также увеличение КПД ЭМПЭ с ВПМ за счет снижения третьей и пятой гармонических составляющих.

pic_20.tif

Рис. 5. Зависимость 1, 3 и 5 гармоник для ВПМ формы по рис. 1 в

Важно отметить, что с увеличением расстояния b происходит увеличение массы ВПМ, а следовательно, для высокоскоростных ЭМПЭ и увеличение центробежных сил, действующих на бандажную оболочку ротора, что приведет к увеличению толщины последней, а следовательно, и снижению магнитной индукции в воздушном зазоре. Поэтому для высокоскоростных ЭМПЭ изменение формы ВПМ может оказаться малоэффективным для повышения мощности. В то же время полученные результаты могут являться перспективными для низкоскоростных ЭМПЭ с ВПМ, применяемых, к примеру, в ветро- и гидроэнергетике.

Из зависимостей, представленных на рис. 4, видно, что с увеличением величины b для исследуемых численных параметров для ВПМ формы по рис. 1 б увеличивается первая гармоническая составляющая (при увеличении величины b с 1,6 до 3,2 первая гармоническая составляющая увеличивается на 3–3,5 %) при этом третья гармоническая составляющая снижается на 2–3 %. При этом пятая гармоническая составляющая незначительно увеличивается. Другими словами, при неизменном воздушном зазоре, при применении ВПМ в формы по рис. 1 б можно ожидать увеличение мощности на 7–8 %, а также увеличение КПД ЭМПЭ с ВПМ за счет снижения третьей гармонической составляющей.

Таким образом, форма ВПМ по рис. 1 б менее эффективна по сравнению с формой ВПМ по рис. 1 г по энергетическим характеристикам.

Из зависимостей, представленных на рис. 5 видно, что с увеличением величины b для исследуемых численных параметров для ВПМ формы по рис. 1 в увеличивается первая гармоническая составляющая (при увеличении величины b с 1,25 до 2,25 первая гармоническая составляющая увеличивается на 4 %), при этом третья гармоническая составляющая снижается на 2–3 %. При этом 5 гармоническая составляющая незначительно снижается на 0,5–1 %. Другими словами, при неизменном воздушном зазоре, при применении ВПМ в формы по рис. 1 г можно ожидать увеличение мощности на 8–9 %, а также увеличение КПД ЭМПЭ с ВПМ за счет снижения третьей гармонической составляющей.

Таким образом, из рассмотренных форм ВПМ можно сделать вывод об эффективности формы ВПМ по рис. 1 г. Причем наибольшую эффективность данная форма будет иметь при применении в низкоскоростных ЭМПЭ. Так как при применении данной формы в высокоскоростных ЭМПЭ с ВПМ при увеличении величины b вызовет увеличение толщины бандажной оболочки ротора.

Представленные результаты могут быть использованы на практике при проектировании ЭМПЭ с ВПМ.

Рецензенты:

Демин А.Ю., д.т.н., профессор кафедры электроники и биомедицинских технологий, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа;

Фетисов В.С., д.т.н., профессор кафедры информационно-измерительной техники, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа.


Библиографическая ссылка

Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Каримов Р.Д., Гайсин Р.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ РОТОРА НА ИНДУКЦИЮ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 9-2. – С. 232-235;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39080 (дата обращения: 17.08.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252