АНАЛИЗ КОНЕЧНО – ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Актуальность темы

В настоящее время бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами (ПМ) получили широкое распространение. Использование ПМ позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте вращения при значительно меньшей мощности возбуждения, (если кроме ПМ для возбуждения используются дополнительные обмотки) и объеме магнитной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин. Применение ПМ с высокой удельной энергией позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели машин.

Проблемой подобных машин является невозможность регулирования потока ПМ (если не применяются дополнительные средства), пульсации момента, обусловленные взаимодействием магнитов, расположенных на одном сердечнике (как правило, на роторе) с зубцами другого сердечника. Эти моменты проявляются при холостом ходе и в значительной мере обусловливают пульсации момента при нагрузке. Значительные пульсации момента иногда являются причиной повышенных вибраций, шума и износа подшипников.

В работе рассмотрено влияние различных способов намагничивания ПМ на характеристики магнитоэлектрических машин.

Виды намагничивания поверхностных магнитов роторов электрических машин

Три вида намагничивания поверхностных магнитов – так называемое параллельное, при котором векторы намагниченности внутри магнита направлены параллельно друг другу (и параллельно оси магнита), радиальное, при котором векторы намагниченности направлены по прямым, проходящим через центр поперечного сечения машины, (распределение поля в зазоре мало отличается от параллельного намагничивания, поэтому часто эти два вида не различают). Тангенциальное, при котором магниты намагничены в направлении, касательном к окружности воздушного зазора.

Намагничивание по Хальбаху (иногда применяется в в крупногабаритных машинах) заключается в намагничивании сегментов постоянного магнита в различных направлениях, что дает в результате более синусоидальную форму распределения магнитного потока в электромашине, благодаря чему уменьшаются потери гармоник переменного тока, а также снижаются пульсации вращающего момента, вибрации и акустический шум [1].

Методы исследования [2]

Для моделирования магнитного поля двигателя применяется конечно – элементная программа FEMM (Finite Element Method Magnetics), используемая в учебном процессе кафедры электромеханики (программа разработана профессором Массачуcетского Технологического института Д. Микером (David Meeker), США) и доступна для широкого пользования через сеть интернет.

Свойства материалов

Сталь

В качестве магнитной стали из библиотеки материалов программы FEMM была  взята шихтованная сталь толщиной 0.5 мм.

Постоянные магниты

Высококоэрцитивные постоянные магниты выполнены из сплава NiFeB. При максимальной намагниченности магниты имеют коэрцитивную силу H_c =979 кА/м и остаточную индукцию B_r =1, 03 Тл.

Граничные условия:

На внешней границе модели заданы однородные условия Дирихле для вектора магнитного потенциала (A=0)

Четырёхполюсная машина

Таблица1.

Описание модели

Параллельное намагничивание

Рисунок 1. Четырехполюсная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (пм) с параллельным намагничиванием

Рисунок 2. Визуальное отображение линий поля, и глубины проникновения

Площадь магнитов = 0.000477355 meter^2

Общая масса магнитов = S * 1 * 7.5 = 0.00358 кг

(7,5 – удельная плотность, 1мм - толщина)

Рисунок 3. Распределение индукции в зазоре при малой нагрузке

Рисунок 4. Спектральный состав

Рисунок 5. Рассматриваемый диапазон гармоник

Рисунок 6. Визуальное сравнение синусоиды и фактического распределения индукции в зазоре при малой нагрузке

1. Радиальное

Картины поля при радиальном и параллельном намагничивании почти не отличаются друг от друга, имеют примерно одинаковую индукцию в ярме и распределение индукции в зазоре, близкой к синусоидальной. Масса магнитов также одинакова. Таким образом для электрической машины малой полюсности и малой мощности непринципиально какой тип намагниченности ПМ будет выбран.

2. Тангенциальное намагничивание

Рисунок 7. Четырехполюсная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (пм) с тангенсальным намагничиванием

Рисунок 8.  Распределение нормальной магнитной индукции в зазоре синхронной электрической машины с возбуждением от ПМ с тангенсальным намагничиванием

3. По Хальбаху

Рисунок 9. Четырехполюсная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (пм ) с намагничиванием по Хальбаху

Рисунок 8. Распределение нормальной магнитной индукции в зазоре синхронной электрической машины с возбуждением от ПМ с намагничиванием по Хальбаху

Применение магнитов с тангенциальной намагниченностью и намагниченностью по Хальбаху является нецелесообразным на машинах с малым количеством полюсов, что можно сказать, взглянув на полученную картину поля и распределения магнитной индукции в зазоре четырёхполюсной машины.

Гораздо лучше данный типы намагниченности проявляет себя на многополюсных машинах.

Заключение:

Проведен обзор специализированной литературы по вопросам ЭМ с ПМ. Приведены примеры конечно-элементных моделей, показано, что области применения различных типов намагничивания магнитов зависят от числа полюсов проектируемых машин. По проведению работы становится очевидным, что конечно-элементные модели являются наглядным средством для сравнительной оценки технических показателей магнитоэлектрических машин.

Список литературы:

1. Ayman M. EL-Refaie, Senior Member, IEEE - Fractional-Slot Concentrated-Windings Synchronous Permanent Magnet Machines:Opportunities and Challenges// IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 57, NO. 1, JANUARY 2010, стр. 107 – 121
2. David Meeker, Finite Element Method Magnetics: OctaveFEMM: User’s Manual – 2006 – http://www.femm.info/Archives/doc/octavefemm.pdf
3. Энциклопедия – Современные постоянные магниты – Электронный ресурс - http://www.valtar.ru/Magnets4/mag_4_27.htm
4. Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Грозов А.Д., Иванова А.В. – Оценка эффективности конструктивного исполнения постоянных магнитов для низкоскоростных генераторов на основе расчёта магнитного поля – научно-практический журнал «Электротехника» № 2/2014, стр. 2-6.