аспирант, Андросов Н.Н.

Международный институт компьютерных технологий, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И РАСЩЕПЛЕННЫМИ ПОЛЮСАМИ НА РОТОРЕ

 

К качественно новым требованиям, предъявляемым к функциональным характеристикам приводной техники, в первую очередь следует отнести широкий диапазон регулирования и равномерность скорости вращения, необходимые для реализации прецизионных технологий, а также высокие удельные энергетические показатели и надежность работы. В данной статье авторами предлагается выполнять полюсы ротора БДПМ (бесконтактного двигателя с постоянными магнитами) расщепленными в тангенциальном направлении, то есть каждый из полюсов изготовить из нескольких постоянных магнитов, намагниченных в радиальном направлении и распределенных по окружности. Это должно значительно уменьшить значения реактивных моментов, более равномерно распределить основной магнитный поток машины и, в конечном счете, улучшить характеристики БДПМ. 

 

Высокоиспользуемые бесконтактные двигатели (БД) с возбуждением от высококоэрцитивных редкоземельных постоянных магнитов (ПМ) могут быть интегрированы в конструкцию узлов и отдельных деталей информационной и измерительной аппаратуры различного агрегатного исполнения. Главным препятствием создания и внедрения высокоиспользуемых бесконтактных двигателей с постоянными магнитами (БДПМ) являются аналитическая и технологическая недостаточности в возможностях их анализа и синтеза. Из-за этого электромагнитные, электромеханические и тепловые процессы в них представляются чисто качественной картиной, затрудняющей сравнительный анализ возможных вариантов их конструктивной реализации. Вместе с тем сложное нелинейное математическое описание высокоиспользуемых микроэлектромеханических устройств требует точных методик расчёта.

На рисунке 1 показана электромагнитная схема трехфазного БДПМ с явно выраженными радиально намагниченными расщепленными полюсами[1].

Положим, что ротор вращается против часовой стрелки, тогда в системе координат, связанной с полюсами, трехфазная обмотка статора вращается по часовой стрелке.

Рисунок  1 – Электромагнитная схема БДПМ с расщепленными полюсами

 
 
Ее можно привести к двухфазной обмотке, ось одной фазы которой совпадает с осью полюса - назовем ее продольной, а другую, перпендикулярную ей, – поперечной. Постоянные магниты могут быть заменены эквивалентной фиктивной обмоткой возбуждения, в которой отсутствуют потери, запитанной от источника тока. Обмотки статора обозначим индексами d, q; обмотки ротора – D, Q.

   

 

В работе авторами были получены следующие выражения.

,                           (1)

где – матрица напряжений модели;

      – матрица активных сопротивлений;

      – матрица токов;

      –  оператор дифференцирования.

 =  – матрица потокосцеплений;  

 

 

 

 =   – матрица индукции;      

 = - матрица коэффициента несинусоидальности,

где

       = ;              = ,  

где bm п – ширина элемента расщепленного полюса;

      kп – число элементов расщеплённого полюса;

      τ – полюсное деление.

Уравнение (1) является аналогом широко известного уравнения ЭДС для контура, движущегося в переменном внешнем магнитном поле[2]. Умножая обе части уравнения (1) на транспонированную матрицу тока , получим выражение для мощности:

.      (2)

Последний член уравнения (2) представляет собой механическую мощность машины Рм, зависящую от угловой скорости ротора. Электромагнитный момент, приложенный к ротору БДПМ на основании (2) определяется следующим выражением:

.                (3)

Выражения (1), (3) представляют собой систему уравнений, связывающих все параметры БДПМ, и позволяют выполнить расчет как установившихся, так и переходных режимов работы.

При моделировании БДПМ магнитное поле рассматривалось в некоторый фиксированный момент времени. Геометрия создавалась средствами КОМПАС, а затем импортировалась в ANSYS с использованием формата IGES. Это оказалось удобнее, чем использование собственных геометрических средств ANSYS.    Рассматривался ряд конструкций с разным числом полюсов на роторе и с разным соотношением геометрических размеров полюсов[3].

  На рисунках 2-5  представлены картины магнитного поля в некоторый фиксированный момент времени в виде силовых векторных линий при максимальной нагрузке. Кроме того, была произведена оценка величины реактивного момента для разного числа полюсов  данной геометрии.

Рисунок 5 –  Картина магнитного поля в виде силовых линий (2p=2, высота элементарного полюса уменьшена на 1 мм)

 
 

Рисунок 4 –  Картина магнитного поля в виде силовых линий (2p=8)
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


          С целью получения ответа на этот вопрос были произведены расчеты для варианта, когда высота элементарного полюса на 1 мм меньше и составляет 3 мм. При этом значение =0,84.  Для случая 2p=2 на рисунке 5  приведена  картина магнитного поля в виде силовых линий.

По результатам численного анализа был сделан ряд следующих выводов:

1 С целью уменьшения потерь в стали магнитопровода статора  в БДПМ с расщепленными полюсами следует использовать  наименьшее число полюсов, то есть два.

2 В двухполюсной конструкции БДПМ с расщепленными полюсами оказывается наибольшим максимальный момент, развиваемый ротором.

3 Применение двухполюсной конструкции ротора с расщепленными полюсами позволяет свести на нет реактивный момент машины.

4 Для БДПМ с расщепленными полюсами существует оптимальное значение высоты элементарных магнитов.

5 Использование ротора с расщепленными полюсами позволяет получить оптимальное соотношение величины полюсного деления  и числа зубцов статора z  на , то есть оптимальное значение коэффициента полюсного перекрытия . Это, в свою очередь, позволяет получить больший, чем в классической конструкции, момент, развиваемый ротором.

       В ходе испытаний опытного образца БДПМ  были проведены следующие эксперименты:

1  Определение реактивных составляющих момента.

2  Измерение ЭДС в генераторном режиме работы.

3 Исследование зависимости электромагнитного момента от тока: M=f(I).

4 Оценка потерь в БДПМ при изменении нагрузки: P=f(I).

5 Характеристики в режиме тормоза: I=f(U) при n=0.

6 Измерение температуры корпуса.

7 Измерение постоянных времени Тм и Тэ.

Результаты, полученные в ходе проведенных экспериментальных исследований, позволили сформулировать следующие основные выводы:

1. Полученные экспериментально значения реактивного момента свидетельствуют об эффективности использования конструкции ротора с расщепленными полюсами.

2. Уменьшение полюсности БДПМ позволяет существенно повысить их энергетические показатели, поскольку магнитная цепь высокоиспользуемых машин насыщена, а потери в стали зависят от частоты перемагничивания.

3. Численный метод расчета двигателей с ротором из постоянных магнитов дает наименьшее расхождение с экспериментом.

 

Литература:

1. Андросов, Н.Н. Математическая модель бесконтактного двигателя с постоянными магнитами, учитывающая использование конструкции магнитной системы с расщепленными полюсами на роторе / Н.Н. Андросов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. – Т. 8 – №  9. – С. 98-101.

2. Низовой, А. Н. Численный анализ электромагнитных процессов в бесконтактном двигателе с расщепленными в тангенциальном направлении полюсами / А. Н. Низовой, С. Ю. Кобзистый, Н. Н. Андросов // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2010. – №  2. – С. 13-17.

3. Анненков, А. Н. Оценка влияния числа пар полюсов бесконтактного двигателя с постоянными магнитами на его энергетические показатели с использованием численного расчета электромагнитного поля  / А. Н. Анненков, Н. Н. Андросов, С. Ю. Кобзистый // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: сборник трудов международной научной конференции, 20-22 мая 2010 г. В 3 ч. Ч. 3. – Воронеж: Междунар.

Ин-т компьют. технологий,  2010. – С. 108-115.