Устройство работы двигателя на постоянных магнитах

Разработка электродвигателей и генераторов с помощью COMSOL®

В этой статье нашего корпоративного блога мы рассмотрим электрическую машину на постоянных магнитах (PM), содержащую 12 пазов и 10 полюсов и смоделированную в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® с помощью инструментов модуля AC/DC. Такая конструкция вращающегося механизма является достаточно типовой и репрезентативной примером. Её размеры — наружный диаметр 35 мм и осевая длина 80 мм. При небольших изменениях условий на входе одна и та же модель может стать либо двигателем, либо генератором. В будущих статьях мы подробнее остановимся на каждом из аспектов разработки, обсуждаемых в данной заметке.

Это первая часть серии блогов. В ней сформулированы общие положения о некоторых аспектах проектирования вращающихся машин с использованием численного моделирования и постобработки в программе COMSOL Multiphysics®.

Разработка электродвигателей и генераторов: общая конфигурация модели

В двигателе на постоянных магнитах магнитные поля роторной части вращаются синхронно с магнитными полями, генерируемыми токами на статоре. Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает суммарный крутящий момент, который и обеспечивает преобразование тока обмоток в механическую мощность электродвигателя. Как следствие синхронного характера возбуждения, в двигателе на постоянных магнитах мгновенный крутящий момент сильно зависит от углового положения ротора — поскольку положение синхронизировано с токами статора. Отличная картина наблюдается в асинхронных машинах, где обмотки статора индуцируют магнитные поля ротора, которые зависят от запаздывания скорости между ротором и статором (отсюда популярное название этой группы устройств в англоязычной литературе — индукционная машина).

Схема машины на постоянных магнитах.

Возбуждающий обмотки ток задается как: I = I_m cos(kappa alpha + phi) , где I_m – амплитуда тока (peak-to-peak), kappa – коэффициент, зависящий от числа полюсов, alpha – угол поворота ротора, а phi – фазовый угол. В данном примере возбуждение для каждой из трех фаз определяется по формулам: I_a = I_m cos(kappa alpha) , I_b = I_m cos(kappa alpha – <120>^circ>) , и I_c = I_m cos(kappa alpha – <240>^circ>) , соответственно.

Для обеспечения того, чтобы силы притяжения и отталкивания между полюсами статора и ротора создавали однонаправленный крутящий момент, коэффициент kappa должен быть таким, чтобы поля от обмоток статора меняли направление при перемещении ротора на угловой размах одного магнита ротора (магниты имеют переменную полярность). Выражение для него следующее: kappa = frac<180^circ> <360^circ/N_p>, где N_p – количество полюсов ротора. Знаменатель определяет угловой размах одного полюса ротора.

Исследование и оптимизация распределения магнитного поля

Распределение магнитного поля или индукции является очень важным фактором при проектировании электрических машин. В синхронных вращающихся машинах ключевым параметром для исследования индуцированных напряжений является пространственное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре (между ротором и статором). Фазное напряжение на статоре будет синусоидальным только в том случае, если радиальная компонента магнитной индукции имеет синусоидальное распределение по периферии ротора. Эта пространственная волновая мода в литературе иногда называется волной магнитодвижущей силы в воздушном зазоре. Если такая волна несинусоидальна, в индуцированном напряжении существуют гармоники более высокого порядка.

В рассматриваемой модели для оценки волны магнитодвижущей силы, мы проанализируем радиальную составляющую магнитной индукции вдоль центра зазора (в геометрии это граница тождественной пары, на которую накладывается условие непрерывности). В постобработке мы можем пронаблюдать как по мере вращения ротора осциллирует волна магнитодвижущей силы. Простой визуальной оценки достаточно для понимая того, что наведенное напряжение не будет идеально синусоидальным. В одной из следующих статей этой серии мы объясним, как провести пространственно-временные Фурье-преобразования магнитной индукции в зазоре и как связать их с оценкой потокосцепления и гармонических искажений напряжения.

Слева: Изменение магнитной индукции при вращении ротора. Справа: Динамика волны магнитодвижущей силы в воздушном зазоре при вращении ротора.

Исследование и оптимизация механического крутящего момента

Существует несколько способов актуации обмоток статора для конкретной конфигурации пазы/полюса двигателя на постоянных магнитах. Вариант, показанный на схеме типовой модели машины (первый рисунок в блогпосте), является одним из способов управления электродвигателем, содержащим 12 пазов и 10 полюссов. Возбуждение обмоток статора (или начальное положение ротора) необходимо отрегулировать таким образом, чтобы к ротору прилагался максимальный крутящий момент. В численной модели для подбора оптимальных условий на роторе задается начальное угловое смещение. Угол alpha изменяется в диапазоне углового промежутка (размаха) для одного магнита ротора, а на выходе рассчитывается средний крутящий момент. В качестве итогового начального положения ротора выбирается значение начального углового перемещения, соответствующее максимальному среднему крутящему моменту. После проведения параметрического свипа становится легче определить и визуализировать, какое относительное положение статора и ротора создает максимальный крутящий момент.

В представленном здесь случае наблюдаются два максимума:

1. Положительный максимум, который будет соответствовать вращению против часовой стрелки – при условии, что будет применена правильная последовательность фаз.
2. Отрицательный максимум, который приведет к вращению по часовой стрелке (также после точной настройки последовательности фаз)

Форма сигнала крутящего момента ротора, приведенная в следующем разделе, соответствует запуску с положительного максимума, определенного по рассчитанной кривой среднего крутящего момента ротора. В будущем мы более подробно рассмотрим методологию анализа и расчета крутящего момента, такие как метод Арккио (Arkkio’s method) и принцип виртуальной работы (virtual work principle).

Средний крутящий момента ротора при изменении начального угла поворота ротора в диапазоне между двух полюсов ротора ( 2 times frac<360^circ> = 72^circ ).

Исследование и оптимизация использования железа и э/м потерь

Проанализируем теперь график распределения магнитной индукции в железном ярме машины. Некоторые части геометрии ярма могут оказаться слишком узкими, и в них магнитная индукция может уходить в насыщение (по кривой B-H). В других случаях они могут оказаться достаточно широкими, при этом появится область с низкой интенсивностью поля, что является неэффективным для процесса получения крутящего момента. Если часть очень узкая, то её, вероятно, следует расширить (и наоборот).

В приведенном примере радиальный размер железного ярма ротора и статора был проварьирован в рамках параметрического исследования для анализа его влияния на крутящий момент ротора. Для получения максимального крутящего момента начальный угол поворота ротора устанавливается равным 20^circ> , что соответствует данным анализа кривой среднего крутящего момента в предыдущем разделе. Как вы можете видеть из графиков и кривой крутящего момента ниже, использование железа оптимально, когда радиальный размер железа составляет около 2 мм: использование менее 2 мм окажет негативное влияние на крутящий момент, а увеличение добавит ненужный материал — и, следовательно, увеличит вес и стоимость — для двигателя.

Распределение магнитной индукции для различных значений радиального размера железа. Слева: 1 мм. В центре: 2 мм. Справа: 3 мм.

Изменение формы волны крутящего момента ротора в зависимости от радиального размера железных компонентов.

Однако это еще не итоговый результат: при определении характерного размера железа необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как механическая прочность, резистивные и магнитные потери. При исследовании магнитной индукции и крутящего момента также можно оценить влияние переменного размера железа на э/м потери в нём. Начиная с версии 5.6 COMSOL Multiphysics, доступен встроенный инструмент Loss Calculation. Он позволяет легко оценивать потери в меди и железе с использованием либо формулы по Штайнмецу (Steinmetz), либо формулировки по Бертотти (Bertotti), либо пользовательского критерия. В следующих частях серии мы продолжим обсуждение мультифизических аспектов моделирования вращающихся машин, таких как расчет эффективности, оценка нагрева, анализ вибраций и акустического шума.

Распределение потерь железа при различных значениях характерного размера железных компонентов. Слева: 1 мм. В центре: 2 мм. Справа: 3 мм.

Резюме

Мы обсудили использование некоторых функциональных возможностей, предоставляемых COMSOL Multiphysics и модулем AC/DC, а вы получили представление о некоторых аспектах проектирования вращающихся машин. Мы увидели, как линейный график магнитной индукции в воздушном зазоре машины показывает, будет ли индуцированное напряжение синусоидальным. Используя Parametric Sweep в COMSOL Multiphysics, можно определить начальный угол ориентации ротора, который обеспечит максимальный крутящий момент. Анализ графиков распределения магнитной индукции позволяет визуально определить, является ли использование железа оптимальным для эффективного вырабатывания крутящего момента. С использованием встроенных инструментов COMSOL Multiphysics можно также определить э/м потери в железных компонентах и влияние на них характерного радиального размера ротора и статора.

Это первая статья серии блогпостов иллюстрирует, как мощные возможности моделирования и постобработки COMSOL Multiphysics могут быть использованы для получения ценной информации о конструкции вращающихся электрических машин. В следующих частях будут подробно обсуждаться методы расчета крутящего момента, расчет эффективности, анализ потерь в железе и тепловых характеристик, а также принцип исследования вибраций и шума от двигателя. Следите за анонсами и новостями!

Материалы для самостоятельного разбора

Попробуйте смоделировать электродвигатель, описанный здесь. Все файлы и материалы доступны по ссылке:

Медный довод: создан уникальный двигатель для электромобилей

В России разработан мотор для электромобилей, обладающий рядом преимуществ перед зарубежными аналогами. Чтобы создать магнитное поле, необходимое для движения колес, в нем применяют обычную медную катушку. Двигатель увеличивает время пробега машины без подзарядки на 15% и исключает внезапную остановку из-за перегрева. При этом цена отечественного мотора в 3–4 раза ниже, чем у зарубежного. Разработчик планирует выпустить собственную линейку беспилотных грузовиков, оборудованных такими двигателями. Подобные машины уже тестируются иностранными компаниями, которые занимаются грузоперевозками.

Железо, медь и математика

Чаще всего в электромобилях используют моторы на постоянных магнитах. Однако такие двигатели имеют ряд существенных недостатков.

В постоянном магнитном поле проводник (рамка, по которой протекает ток) начинает двигаться. Движение передается на колеса машины, и она едет. Но когда проводник смещается в магнитном поле, по законам физики в нем возникает противоположно направленная сила (противо-ЭДС). Она уменьшает силу тока в проводнике, и в итоге автомобиль не может развить скорость более 60 км/ч. Чтобы ее увеличить, нужно уменьшить поле постоянного магнита — это снизит противо-ЭДС. Но чтобы сделать это, нужно потратить электроэнергию. В результате коэффициент полезного действия (КПД) двигателя падает, следовательно, аккумулятор быстрее разряжается.

–– Наш мотор, образно говоря, состоит из железа, меди и математики, –– рассказал технический директор компании «Электротранспортные технологии» Илья Федичев. –– Мы создаем магнитное поле с помощью медной катушки, через которую проходит ток. И поэтому можем спокойно им управлять: увеличивать для большей мощности и уменьшать для скоростного разгона авто без снижения КПД. По нашим расчетам, на российском моторе машина проедет примерно на 15% дольше –– конечно, при условии, что скорость и качество дороги будут такими же, как для авто с зарубежным двигателем.

Магнитные катушки с пропускаемым через них током известны в качестве источников магнитного поля с XIX века. Однако задействовать поле в работе электродвигателя –– очень непросто. Инженеры говорят, что их главное достижение — создание особой конструкции двигателя, которая и позволила обойтись без постоянных магнитов, заменив их на медную катушку — она создает магнитное поле с нужным направлением и интенсивностью.

Перегрев не страшен

Еще один недостаток действующих электромоторов –– размагничивание постоянного магнита из-за нагрева двигателя. Дело в том, что для каждого магнита есть точка Кюри –– температура, при которой он теряет свои свойства. Когда электромобиль внезапно начинает терять скорость, это значит, что магнит просто перегрелся. Он больше не создает поле для движения рамки, и автоматика принудительно уменьшает мощность мотора. Конечно, ситуация, при которой машина долго едет на максимальной скорости, встречается нечасто, однако способствовать перегреву может и жара.

Российский электромотор не имеет постоянного магнита, поэтому внезапное отключение ему не грозит. Также ему не нужны сложные, громоздкие и дорогостоящие системы охлаждения, как машинам на электродвигателях с постоянными магнитами. Инженеры провели эксперимент, нагревая мотор собственной разработки и зарубежные аналоги. Оказалось, что отечественный двигатель сохраняет характеристики при температуре до 150 ºС, в то время как иностранные модели перестают работать уже при 100 ºС.

Тем не менее большинство специалистов в мире всё же отдают предпочтение двигателям с постоянными магнитами, сообщил заведующий кафедрой электротехники и промышленной электротехники МГТУ им. Н.Э. Баумана Александр Красовский.

–– Следует учесть, что применяемая дополнительная «обмотка возбуждения», то есть та самая медная обмотка, потребляет дополнительную электрическую энергию аккумулятора, что несколько снижает КПД созданного двигателя, –– рассказал эксперт. –– Наличие обмотки ведет еще и к некоторому увеличению массы и габаритов двигателя. Зато к преимуществам предложенного российскими учеными аналога относится выгодная цена –– двигатели с постоянными магнитами имеют более сложную конструкцию, поэтому и стоят дороже.

Российский двигатель такой же мощности, как и зарубежный, дешевле не только благодаря простоте конструкции, но и применяемым материалам. Ведь 90% рынка постоянных магнитов занято Китаем, и производители диктуют цену на товар по своему усмотрению. Монополия может привести к внезапному скачку цен на постоянные магниты, а следовательно, и на электромоторы. Да и сегодня произведенный в Китае мотор стоит около 300 тыс. рублей, еще около 100 тыс. рублей уйдет на перевозку и налоги. Стоимость отечественного мотора при серийном производстве составит около 80 тыс. рублей.

Будущее за электромобилями

Электрические машины не наносят вреда экологии, поэтому власти Москвы планируют всячески поощрять их применение. На данный момент все электрокары имеют право на бесплатную парковку в любой точке столицы, сообщалось на конференции Forbes «Как заработать с помощью искусственного интеллекта в России». Также руководители мэрии предложили проекты по удешевлению оформления ОСАГО для электромобилей и предоставлению льгот для проезда по платным трассам. Некоторые компании, имеющие отношение к разработке транспортных средств, увидели и техническое преимущество электромобилей перед машинами на двигателях внутреннего сгорания.

–– Появление таких моторов –– значимое событие для машиностроения, особенно для формируемого рынка беспилотных транспортных средств, –– отметил эксперт в области робототехники и систем автоматизации транспорта Виталий Савельев. — Неприхотливость подобного мотора и высокий ресурс работы без обслуживания дают возможность эксплуатировать технику на его базе более эффективно. Развитие двигателей такого типа позволяет получить высокие тяговые характеристики одновременно с низким энергопотреблением, что увеличивает запас хода электромобиля. В перспективе электромоторы могут использоваться и на водных видах транспорта –– с их помощью можно создать практически бесшумные и энергоэффективные яхты и катера.

Разработчик отечественного двигателя в скором времени планирует выпустить линейку беспилотных грузовиков, которые могут быть востребованы, например, в компаниях, связанных с грузоперевозками, почтовой и курьерской доставкой.

При этом некоторые крупные зарубежные автоконцерны совместно с логистическими компаниями уже тестируют тягачи, рассчитанные на эксплуатацию без водителей.

Через несколько лет электромобили вытеснят с рынка машины с двигателями внутреннего сгорания, предполагают в компании-разработчике. Когда цена на литиевые батареи, используемые в электрокарах, упадет, ездить на них станет гораздо выгоднее. По информации зарубежных экспертов, стоимость батарей в последнее время быстро снижается. Так, в 2016 году цена литиевых аккумуляторов составляла $400–600 на киловатт-час емкости, а год назад — уже $250–300.

Принцип работы устройств

Главной проблемой конструкции считался возврат вращающихся деталей в исходной положение без существенных потерь крутящего момента. Данная проблема была решена с помощью медного проводника, по которому был пропущен электрический ток, вызывающий притяжение. При отключении тока, действие притяжения прекращалось. Таким образом, в устройствах этого типа использовалось периодическое включение-отключение.

Повышенный ток создает увеличенную силу притяжения, а та, в свою очередь, участвует в выработке тока, проходящего через медный проводник. В результате циклических действий, устройство, кроме совершения механической работы, начинает производить электрический ток, то есть выполнять функции генератора.

Магнитна вечна машина за движение от нашите собствени ръце

Мечтите за вечния двигател не дават на хората мир стотици години. Този въпрос стана особено остър, когато светът е сериозно загрижен за предстоящата енергийна криза. Дали той идва или не е друг въпрос, но може само да се каже недвусмислено, че независимо от това, човечеството се нуждае от решения на енергийния проблем и търсенето на алтернативни източници на енергия.

Какво е магнитен мотор?

В научния свят машините за вечно движение са разделени на две групи: първият и вторият вид. И ако първата относително ясна всичко — това е по-скоро елемент от фантастични произведения, втората е много реална. Първо, първият тип двигател е нещо като утопично нещо, способно да извлича енергия от нищо. Но вторият тип се основава на съвсем реални неща. Това е опит за извличане и използване на енергията на всичко, което ни заобикаля: слънцето, водата, вятъра и, разбира се, магнитното поле.

Много учени от различни страни и в различни епохи се опитаха не само да обяснят възможностите на магнитните полета, но и да реализират един вид вечен двигател, работещ за сметка на тези много полета. Интересното е, че много от тях са постигнали доста впечатляващи резултати в тази област. Такива имена като Никола Тесла, Васили Шкондин и Николай Лазарев са добре известни не само в тесен кръг от специалисти и преданоотдадени на създаването на вечна машина за движение.

От особен интерес за тях са постоянните магнити, способни да подновяват енергията от световния етер. Разбира се, нищо съществено, все още не е някой в ​​света, за да се докаже, но с изучаване на природата на постоянни магнити човечеството има реален шанс да се доближи до използването на огромен източник на енергия под формата на постоянни магнити.

И макар че магнитната тема все още е далече от пълното проучване, има много изобретения, теории и научно обосновани хипотези за перцетум мобил. В същото време има много впечатляващи устройства, издадени за такива. Същият двигател на магнитите вече съществува, макар и не във формата, в която бихме искали, защото след известно време магнитите все още губят своите магнитни свойства. Но въпреки законите на физиката, учените биха могли да създадат нещо достоверно, което да работи за сметка на енергията, генерирана от магнитните полета.

Днес има няколко вида линейни мотори, които се различават по структура и технология, но работят върху едни и същи принципи. Те включват:

1. Работи изключително поради действието на магнитни полета, без устройства за управление и без използване на енергия отвън;
2. Импулсно действие, което вече има и двете контролни устройства, и допълнителен източник на енергия;
3. Устройства, които съчетават принципите на работа на двата двигателя.

Устройството на магнитния двигател

Разбира се, устройството на постоянните магнити няма нищо общо с обикновения електрически двигател. Ако се случи второто движение поради електрическия ток, магнитното, както е разбираемо, работи изключително поради постоянната енергия на магнитите. Състои се от три основни части:

• Самият двигател;
• Статор с електромагнит;
• Ротор с фиксиран постоянен магнит.

На един вал с мотора е монтиран електромеханичен генератор. Стабилен електромагнит, направен под формата на пръстеновидно магнитно ядро ​​с нарязан сегмент или дъга, допълва тази конструкция. Самият електромагнит е допълнително оборудван с индуктор. Към бобината е свързан електронен превключвател, който обръща тока. Той е този, който осигурява приспособяването на всички процеси.

Принцип на действие

Тъй като моделът на вечния магнитен двигател, чиято работа се основава на магнитните свойства на материала, далеч не е уникална, принципът на работа на различните двигатели може да се различава. Въпреки, разбира се, свойствата на постоянните магнити се използват, разбира се.

От най-простите, може да се отдели антигравитационен агрегат на Лоренц. Принцип на своята работа се състои от два отделни диска, свързани към захранването. Дисковете се поставят наполовина в полусферичен екран. След това започват да се въртят. Магнитното поле лесно се изтласква от подобен свръхпроводник.

Най-простият асинхронен двигател на магнитно поле е изобретен от Тесла. В основата на работата му е ротацията на магнитното поле, което произвежда електрическа енергия от него. Една метална плоча се поставя в земята, а другата е по-висока от нея. Един проводник е свързан към едната страна на кондензатора, минава през плочата, а към другия — проводник от основата на плочата. Обратният полюс на кондензатора е свързан към масата и служи като резервоар за отрицателно заредени заряди.

Единственият работещ многогодишен двигател се смята за ротационен пръстен на Лазарев. Тя е много проста в своята структура и се изпълнява вкъщи със собствените си ръце. Прилича на резервоар, разделен на две порции. Самата тръба е вградена в самата преграда и контейнерът е изпълнен с течност. За предпочитане е да използвате летлива течност като бензин, но можете да използвате и обикновена вода.

С помощта на преградата течността навлиза в дъното на резервоара и се изтласква чрез натиск върху тръбата. Само по себе си устройството осъществява само вечно движение. Но за да се превърне в вечен двигател, е необходимо да се монтира колело с ножове, върху които ще се поставят магнитите под капещата течност. В резултат генерираното магнитно поле ще завърти колелото по-бързо, което ще ускори потока на течността и магнитното поле ще стане постоянно.

Но линейният мотор Shkodina направи наистина осезаем пробив в ход. Този дизайн е изключително прост технически, но в същото време има висока мощност и производителност. Този «двигател» се нарича «колело в колелото». Вече се използва в транспорта. Тук има две намотки, вътре в които има още две намотки. По този начин се образува двойна двойка с различни магнитни полета. Поради това те са отблъснати в различни посоки. Такова устройство може да бъде закупено днес. Те често се използват на велосипеди и инвалидни колички.

Двигателят на Perendeva работи само върху магнити. Тук се използват две кръгове, едната от които е статична, а втората — динамична. На тях в еднаква последователност има и магнити. Благодарение на самоотблъскването, вътрешното колело може да се върти безкрайно.

Друга една от съвременните изобретения, които са намерили приложение, е колелото Минато. Това устройство на магнитното поле на японския изобретател Kohei Minato, което е широко използвано в различни механизми.

Основните предимства на това изобретение са ефективност и безшумна работа. Също така е проста: на ротора са поставени под различни ъгли спрямо оста на магнитите. Мощният импулс на статора създава така наречената «колапс», а стабилизаторите балансират въртенето на ротора. Магнитният двигател на японския изобретател, чиято схема е изключително проста, работи без да генерира топлина, което го пророкува велико бъдеще не само в механиката, но и в електрониката.

Има други устройства на постоянни магнити, като колелото Минато. Те са многобройни и всяка от тях е уникална и интересна по свой начин. Те обаче само започват да се развиват и са в постоянен етап на развитие и усъвършенстване.

Линеен мотор със собствени ръце

Разбира се, такава завладяваща и загадъчна сфера, като магнитни машини за вечно движение, не може да е от интерес само за учените. Много аматьори също допринасят за развитието на тази индустрия. Но тук въпросът е по-скоро дали е възможно да се направи магнитен мотор със собствените ни ръце, без каквито и да било специални познания.

Най-простият образец, който многократно се събира от аматьори, прилича на три здраво свързани помежду си шахта, единият от които (централно) се върти директно спрямо другите две, разположени отстрани. Към центъра на централния вал е прикрепен диск от луцит (акрилна пластмаса) с диаметър 4 инча. От другите две валове инсталирайте подобни устройства, но половината от тях. Магнити се инсталират тук: 4 отстрани и 8 от средата. За да направите системата по-бърза, можете да използвате алуминиева греда като основа.

Плюсове и минуси на магнитни двигатели

плюсове:

• Спестявания и пълна автономия;
• Способността за сглобяване на двигателя от импровизирани средства;
• Устройството на неодимовите магнити е достатъчно мощна, за да осигури енергия от 10 кВт и над апартамента;
• Може да даде максимална мощност на всеки етап от износването.

минуси:

• Отрицателно влияние на магнитните полета върху човек;
• Повечето от екземплярите все още не могат да работят при нормални условия. Но това е въпрос на време;
• Трудности при свързването на дори завършени проби;
• Съвременните магнитни импулсни двигатели имат доста висока цена.

Магнитните линейни мотори са станали реалност днес и имат всички шансове да заменят обикновените двигатели от други типове. Но днес той все още не е напълно развит и идеален продукт, способен да се конкурира на пазара, но има доста високи тенденции.