Разработка, оптимизация и создание прототипа энергоэффективного тягового привода электромобиля на базе синхронного двигателя с ферритовыми магнитами (Этап №1)

Замена неодимовых магнитов на ферритовые магниты в синхронных двигателях для электромашин является актуальной темой в области разработки электродвигателей. Этот шаг может быть мотивирован различными факторами, включая экономические, экологические и технические аспекты. Замена неодимовых магнитов на ферритовые магниты может быть рациональной в зависимости от конкретного применения электродвигателя: Важным фактором является возможность компенсации недостатков ферритовых магнитов за счет топологической оптимизации конструкции двигателя. С развитием методов численного моделирования (например, метода конечных элементов) и более эффективных алгоритмов проектирования можно достичь сопоставимых с неодимовыми магнитами показателей за счет оптимизации магнитной цепи и геометрии ротора. Рациональность замены неодимовых магнитов на ферритовые в синхронных двигателях зависит от конкретных требований электродвигателя. Хотя ферритовые магниты уступают неодимовым по магнитной плотности, их низкая стоимость, экологическая безопасность, термостойкость и коррозионная стойкость делают их привлекательным выбором в ряде приложений. Оптимизация конструкции двигателя и учет специфики эксплуатации позволяют компенсировать некоторые недостатки ферритовых магнитов, делая их разумной альтернативой в условиях, когда требования к высокой плотности мощности не являются критичными. Основные результаты: 1. Анализ современной литературы показывает, что основное внимание уделяется многокритериальной оптимизации, экологичности и снижению затрат на материалы. Синхронные двигатели с постоянными магнитами остаются ключевым направлением, однако активное развитие получают и безредкоземельные конструкции. На основе патентного исследования сделан вывод, что оптимизация двигателей требует комплексного подхода, охватывающего материалы, конструкции и схемы управления. 2. Модернизированный алгоритм: - Адаптирован для работы с ферритовыми магнитами. - Учитывает ограничения насыщения магнитного потока и снижение плотности магнитной энергии. 3. Для текущих задач с небольшими объемами данных рекомендуется продолжить использование Python и интеграции с Elcut. Для крупных задач или при необходимости ускорения алгоритмов целесообразно рассмотреть реализацию вычислительных модулей на C++. 4. В ходе проделанной работы установлено, что двигатели для электромобиля с ферритовыми магнитами могут иметь значения крутящего момент на уровне 80 - 89% от значений момента двигателя с неодимовыми магнитами, при идентичных размерах самого двигателя. Для достижения таких параметров у двигателя с ферритами необходимо увеличить в 3,3 объём пространства, куда устанавливаются магниты, что приведёт к увеличению массы используемого магнитного материала в 1,63 раза. На основании этих данных можно сказать, что идея замены в двигателях для электромобилей неодимовых магнитов ферритовыми является жизнеспособной, особенно в отраслях, где не требуется максимальная мощность. 5. В ходе этапа были разработаны алгоритмы многокритериальной и топологической оптимизации конструктивных частей тягового электродвигателя СДФМ. На основании анализа мирового опыта и результатов предыдущих исследований принято решение о модернизации существующего метода. Модернизированный алгоритм был адаптирован для работы с особенностями ферритовых магнитов. Разработанные алгоритмы подтвердили свою эффективность на тестовых расчетах и продемонстрировали перспективность для дальнейшего применения. По результатам отчетного периода написана 2 статьи Scopus ("Determination of Initial Conditions for Topological Optimization", "Topological optimization of the design of a permanent magnet synchronous motor using a genetic algorithm"), 2 статьи ВАК ("Работа с программным обеспечением dvt customer при взаимодействии с учебным стендом имитации работы электромобиля", "Особенности работы учебного стенда "мотор электромобиля" при определении характеристик работы электротранспорта"), а также принято участие в следующих конференциях: 1. VI Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция «ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ» - стендовый доклад "Новые топологии роторов для синхронных двигателей с постоянными магнитами" 2. 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) - стендовые доклады ("Working with Dvt Customer Software when Interacting with a Training Stand Simulating the Operation of an Electric Vehicle", "Features of the Work of the Training Stand 'Electric Vehicle Motor' when Determining the Operating Characteristics of Electric Vehicles") 3. 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency - стендовые доклады ("Modeling of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle in COMSOL Multiphysics", "Measuring the parameters of a synchronous electric motor for an electric vehicle"). Получено свидетельство на ЭВМ "Программа оптимизации конструкции ротора для создания энергоэффективного тягового привода с ферритовыми магнитами". Программа предназначена для реализации алгоритма оптимизации конструкции ротора, который можно использовать для энергоэффективных тяговых электроприводов электромобилей с использованием альтернативных редкоземельным материалам – ферритовым магнитам.