Аспирант Андросов Н.Н.

Международный институт компьютерных технологий, Россия

Преподаватели Андросов Н.А., Андросова О.В., Буркин А.С.

Калачеевский аграрный техникум, Россия

Способов уменьшения реактивных моментов в машинах с постоянными магнитами

Для электрических машин с зубцами на статоре и постоянными магнитами на роторе характерно наличие значительных по величине реактивных составляющих момента (далее – реактивных моментов). Решению этой проблемы посвящено множество работ.

Анализ литературы позволяет выделить следующие группы способов снижения реактивных моментов машин с постоянными магнитами.

1. Выбор оптимальных соотношений между током и ЭДС при питании двигателя от инвертора с широтно-импульсной модуляцией [2], иначе говоря – снижение реактивных моментов путем управления питающим двигатель инвертором.

2. Использование скоса постоянных магнитов. Этому посвящены, в том числе, работы [1,3]. Недостатком такого способа, очевидно, является низкая технологичность изготовления скошенных магнитов. Интересно, что одни авторы для анализа процессов в машинах со скосом постоянных магнитов используют метод конечных элементов в трехмерной постановке, а другие – ищут способы учитывать скос, использую двумерный анализ электромагнитного поля в поперечном сечении машины. Так в авторы оперируют понятием виртуального нескошенного элемента, эквивалентного скошенному магниту, присущему реальному ротору. Понятно, что использование такого приема позволяет значительно снизить вычислительные затраты и увеличить скорость расчетов методом конечных элементов. Авторы показывают эффективность и относительную точность предложенного подхода.

3. Оптимизация геометрии зубцово-полюсной зоны в поперечном сечении машины.

Сюда следует отнести следующее:

а) выбор оптимальной формы зубцов на статоре [4]. При этом авторы используют метод планирования эксперимента , метод уровня (level set method). Например, в предложено на сердечнике статора выполнять открытия пазов со смещением от средней линии паза на разные углы. Как показали расчеты, проведенные авторами, изменение расстояний между открытием соседних пазов по всему периметру сердечника статора, позволяет существенно снизить пульсации вращающего момента;

б) несимметричное (нерегулярное) расположение постоянных магнитов по окружности ротора [5]. Снижение пульсаций момента достигается за счет того, что один постоянный магнит имеет меньшую ширину по сравнению с остальными. Авторы показали эффективность использования такого приема, используя метод конечных элементов в двумерной постановке. Авторы предложили для определения оптимального расположения постоянных магнитов на роторе свою аналитическую модель. На конкретных двигателях точность аналитической модели оценена сравнением с расчетом по методу конечных элементов. Для снижения пульсаций момента авторами разработан алгоритм, основанный на комбинации методов глобальной оптимизации и конечных элементов. Оптимальная ширина постоянных магнитов и углы их асимметрии определены экспериментально на двух двигателях;

в) использование перемычек и различных дополнительных магнитомягких и магнитотвердых элементов на роторе [6]. Так, например, в [6] исследованы две новых конструкции ротора с одним слоем встроенных магнитов и со сдвоенными немагнитными барьерами;

г) использование вспомогательных постоянных магнитов на роторе. Например, в [7] предлагается использовать дополнительные вспомогательные полюсы из редкоземельных материалов, расположенные определенным образом на роторе, используется секционирование поверхностных магнитов ротора и изменение направления намагниченности крайних магнитов, что позволило снизить пульсации момента в 6 раз;

д) использование составных в радиальном направлении полюсов на роторе. Так в [8] предлагается каждый полюс заменить не менее чем двумя постоянными магнитами с одинаковым направлением намагниченности, поместив их в аксиальные пазы в магнитомягком материале;

е) оптимизация, собственно, формы и размеров постоянных магнитов [9]. Так, в [9] авторы предлагают разработанный метод оптимизации, основанный на использовании малого числа экспериментов, выполненных на конечно-элементных моделях. Оптимизация формы постоянных магнитов проводится в два этапа – сначала по угловой ширине магнитов, а затем – по форме их краев. В результате оптимизации удалось снизить пульсации момента примерно в 5 раз.

4. Использование составного в аксиальном направлении ротора, каждый элемент которого содержит полюсы с определенным направлением намагничивания [10], сдвинутым на некоторый угол относительно предыдущего элемента. Этот вариант имеет нечто общее с использованием скоса постоянных магнитов.

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. Стратегия минимизации пульсаций момента вентильных двигателей с неидеальной электродвижущей силой. Xiao Wei, Zhang Lei, Qu Wenlong. Diangong dianneng xinjishu. Adv. Technol. Elec. Eng. and Energy. 2007. 26, № 1. P. 51-54.

3. Захаренко, А. Б. Исследование синхронной электрической машины со скосом постоянных магнитов / А. Б. Захаренко, Г. А. Семенчуков // Электротехника. – 2007. – № 2. – C. 59-65.

4. Разработка синхронного двигателя с постоянными магнитами и пониженными пульсациями момента. Konstrukcijski ukrepi za zmanjsanje samodrznega vrtilnega momenta sinhronskega motorja s trajnimi magneti. Cernigoj Andrej, Fiser Rastko. Elektrotechn. vestn. 2007. 74, № 4. P. 207-212.

5. Новый метод снижения пульсаций момента в двигателе с наружным размещением постоянных магнитов на роторе. Wang Dao-han, Wang Xiu-he, Zhang Ran, Ding Ting-ting. Dianji yu kongzhixuebao. Elec. Mach. and Contr. 2008. 12, № 4. P. 380-384.

6. Novel double-barrier rotor designs in interior-PM motor for reducing torque pulsation [11Joint MMM/Intermag Conference, Washington, D. C., Jan. 18-22, 2010]. Fang Liang, Kim Sung-Il, Kwon Soon-O., Hong Jung-Pyo. IEEE Trans. Magn. 2010. 46, № 6. P. 2183-2186.

7. Оптимизация размеров вспомогательных полюсов в синхронной машине с постоянными магнитами. Zhao Chaohui, Zhu Deming, Yan Yangguang. Nanjing Hangkong Hangtian daxue xuebao. J. Nanjing Univ. Aeron. and Astronaut. 2006. 38, № 1. P. 53-57.

8. Синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов. Permanenterregte Synchronmachine: Заявка 102005041352 Германия, МПК⁸ H 02 K 1/27 (2006.01), H 02 K 21/12 (2006.01). Siemens AG, Jockel Andreas, Koch Thomas. № 102005041352.8; Заявл. 31.08.2005; Опубл. 01.03.2007.

9. An application of Latin hypercube sampling strategy for cogging torque reduction of large-scale permanent magnet motor [International Magnetic Conference (Intermag 2008), Madrid, May 4-8, 2008. Pt 2]. Shin Pan Seok, Woo Sung Hyun, Zhang Yanli, Koh Chang Seop. IEEE Trans. Magn. 2008. 44. № 11, Pt 2. P. 4421-4424.

10. Permanent magnet motor and rotor thereof: патент 6633100 США, МПК⁸ H 02 K 21/10 (2003.10). Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokyo (JP); Заявл. 06.04.2001; Опубл. 14.10.2003.