Одноименнополюсные синхронные машины с ферритовыми магнитами

Объектом исследования является электрическая машина (одноименнополюсная синхронная машина с ферритовыми магнитами на роторе) и ее рабочие характеристики в различных приложениях. В ходе выполнения НИР получены следующие научные результаты: 1) Была разработана и описана новая конструкция бесщеточной одноименнополюсной синхронной машины с обмоткой возбуждения на статоре и ферритовыми магнитами между зубцов ротора (ФМОСМ). 2) Была разработана методика электромагнитного моделирования ФМОСМ, которая позволяет вычислять основные характеристики ФМОСМ такие как средняя величина крутящего момента, величина пульсаций крутящего момента, КПД, коэффициент мощности, электрические активная и реактивная мощности, величины потерь в обмотке якоря, в обмотке возбуждения, в магнитопроводе. Методика основана на решении серии двухмерных краевых задач для полоскопараллельного поля, что сильно снижает вычислительные затраты и время на автоматизированную оптимизацию в сравнении с обычно используемым для ОСМ трехмерным расчетом поля. 3) Была разработана методика оптимизации рабочих характеристик ФМОСМ с помощью безградиентного симплексного метода (однокритериальный метода Нелдера-Мида), которая позволяет значительно улучшить величины таких важных эксплуатационных характеристик ФМОСМ как КПД и потери в рабочем цикле, установленная мощность полупроводникового преобразователя и пульсации момента. Также предлагаемая методика позволяет свести при расчетах продолжительный рабочий цикл ФМОСМ к малому дискретному числу рабочих точек, вычисляемых при одном вызове оптимизируемой функции, что сильно снижает вычислительные затраты и время на автоматизированную оптимизацию. 4) Работоспособность предлагаемой методики оптимизации была продемонстрирована на двух практически важных примерах проектирования, в которых применение ФМОСМ перспективно: тяговый электропривод и генератор пассажирских вагонов. Результаты оптимизации показывают значительное улучшение целевых характеристик тягового привода (первый пример проектирования): потери мощности снижены на 22,5%, требуемая мощность инвертора снижена на 22%, пульсации момента снижены на 76,5%. Результаты оптимизации показывают значительное улучшение целевых характеристик генератора (второй пример проектирования): потери мощности снижены на 14,6%, требуемая мощность инвертора снижена на 24,7%, пульсации момента снижены на 18,2%. 5) Было проведено сопоставление расчётных рабочих характеристик ФМОСМ и одноименополюсной синхронной машины (ОСМ) без магнитов. В результате сравнения характеристик ОСМ с ферритовыми магнитами и без магнитов, можно сделать вывод о перспективности использования ОСМ с ферритовыми магнитами в данном приложении, так как КПД повышен значительно, размеры и вес также были значительно уменьшены при относительно небольшом увеличении стоимости. В случае тягового двигателя потери мощности снижены на 18,1 %, пульсации момента снижены на 33,2 %, длина активной части уменьшена на 14 %, а масса активных материалов уменьшена на 10,5 %. В случае подвагонного генератора потери мощности снижены на 8,9 %, пульсации момента снижены на 4,4 %, длина активной части уменьшена на 16,7 %, а масса активных материалов уменьшена на 19,3 %. 6) Было проведено теоретическое сопоставление характеристик разработанного генератора пассажирского вагона на базе ФМОСМ с серийно производимым подвагонным генератором (АО «Псковский электромашиностроительный завод»), которое показывает значительное улучшение массогабаритных показателей и энергоэффективности: активный объем снижен в 2,5 раз, потери снижены в 1,75 раза. 7) Разработана методика математического моделирования вентиляционных и тепловых процессов в бесщеточной одноименнополюсной синхронной машины с обмоткой возбуждения на статоре и ферритовыми магнитами между зубцов ротора (ФМОСМ). 8) Разработана усовершенствованная методика оптимального проектирования ФМОСМ для различных приложений на основе разработанных методик математического моделирования и однокритериального алгоритма оптимизации (алгоритма Нелдера-Мида). 9) Выполнено теоретическое исследование характеристик ФМОСМ в различных областях применения для выявления наиболее перспективных приложений; выявлены такие перспективные приложения как различные типы генераторов: автомобильные, морские, бортовые, водоохлаждаемые, с пассивным выпрямителем. 10) Выполнено теоретическое сопоставление электропривода на основе ФМОСМ с основными конкурирующими решениями: с одноименнополюсным синхронным двигателем (ОСМ) без магнитов, с синхронным реактивным двигателем (СРД) с ферритовыми магнитами, с синхронным реактивном двигателем с редкоземельными магнитами, СРД без магнитов, а также с асинхронным двигателем (АД); 11) Разработана усовершенствованная методика оптимального проектирования ФМОСМ для различных приложений на основе разработанных методик математического моделирования и многокритериального алгоритма оптимизации (алгоритма дифференциальной эволюции). 12) Теоретически разработан алгоритм управления ФМОСМ без датчика положения ротора. 13) Выполнено теоретическое сопоставление электропривода на основе ФМОСМ с основными конкурирующими решениями. 14) Выполнено теоретическое исследование характеристик ФМОСМ в различных областях применения для выявления наиболее перспективных приложений. 15) Подано на рассмотрение в ФИПС 5 заявок на изобретение, описывающих детали конструкции ФМОСМ (№ 2022132709 от 14.12.2022; № 2023127616 от 27.10.2023; 2023130635 от 24.11.2023 № 2024106112 от 11.03.2024; № 2024115334 от 05.06.2024). По заявкам с номерами 2022132709б, 2023127616 и 2023130635 получены патенты на изобретение. Заявки с номерами 2024106112 и 2024115334 рассматриваются ФИПС на момент окончания проекта. 16) По теме проекта было опубликовано 6 статей в научных изданиях 1 и 2 квартили по WoS: 1. Dmitrievskii, V.; Kazakbaev, V.; Prakht, V. Performance Comparison of Traction Synchronous Motors with Ferrite Magnets for a Subway Train: Reluctance versus Homopolar Variants. Applies Sciences (Квартиль журнала WoS 2), 2023, 13, 9988. https://doi.org/10.3390/app13179988 2. Prakht, V.; Dmitrievskii, V.; Kazakbaev, V. Analysis of Performance Improvement of Passenger Car Synchronous Homopolar Generator with the Addition of Ferrite Magnets Applies Sciences (Квартиль журнала WoS 2), 2023, 13, 3990. https://doi.org/10.3390/app13063990 3. Prakht, V.; Dmitrievskii, V.; Kazakbaev, V. Synchronous Homopolar Generator without Permanent Magnets for Railway Passenger Cars. Applies Sciences (Квартиль журнала WoS 2), 2023, 13, 2070. https://doi.org/10.3390/app13042070 4. Dmitrievskii, V.; Prakht, V.; Kazakbaev, V. Design Optimization of a Synchronous Homopolar Motor with Ferrite Magnets for Subway Train. Mathematics (Квартиль журнала WoS 1), 2023, 11, 589. doi.org/10.3390/math11030589 5. V. Dmitrievskii, V. Kazakbaev, V. Prakht and V. Goman, "Improved Design of Synchronous Homopolar Motor With Ferrite Magnets With Increased Resistance to Irreversible Demagnetization for Subway Train," in IEEE Access (Квартиль журнала WoS 2), vol. 12, pp. 100725-100737, 2024, doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3409635. 6. Dmitrievskii, V.; Kazakbaev, V.; Prakht, V.; Anuchin, A. Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor for Subway Trains. World Electric Vehicle Journal (Квартиль журнала WoS 2), 2024, 15, 417. hdoi.org/10.3390/wevj15090417 Значимость работы заключается в том, что с помощью полученных методик возможно проектирование решений, позволяющих увеличить надежность, ресурс работы и энергоэффективность электродвигателей и генераторов без редкоземельных магнитов на базе ФМОСМ, в сравнении с решениями, предлагаемыми на отечественном и мировом рынке. Разделы 1-4 описывают результаты первого этапа работы (2022 год). Разделы 5-6 описывают результаты второго этапа работы (2023 год). Разделы 7-8 описывают результаты третьего этапа работы (2024 год). Разделы 9-10 описывают результаты второго и третьего этапа работы (2023-2024 годы).