Одноименнополюсные синхронные машины с ферритовыми магнитами

В настоящий момент в большинстве тяговых приводов метро, железнодорожных локомотивов, троллейбусов, трамваев, электро- и гибридных автомобилей и автобусов широко используется асинхронные двигатели (АД). Однако тяговые приводы с асинхронными машинами имеют следующие недостатки: 1) Большие потери в роторе и его нагрев; 2) Большая мощность инвертора при необходимости большого диапазона регулирования скорости вращения при постоянстве механической мощности. Альтернативой тяговым АД являются синхронные машины с редкоземельными магнитами, однако их широкому применению в электротранспорте мешают следующие факторы: 1) Наличие в конструкции дорогостоящих редкоземельных магнитов; 2) При использовании редкоземельных магнитов в производстве электрической машины возникает технологическая зависимость от поставщиков редкоземельных элементов из Китая; 3) Добыча редкоземельных элементов, необходимых для производства редкоземельных магнитов, наносит большой вред окружающей среде; 4) Магнитодвижущая сила постоянных магнитов не может регулироваться, поэтому в некоторых режимах на высокой скорости (частоте) существенно возрастают потери в стали и в обмотке машины. Повышается риск перегрева электрической машины и магнитов, их размагничивания и деградации. Поэтому актуальной является задача разработки новых тяговых двигателей без редкоземельных магнитов и с улучшенными характеристиками по сравнению с асинхронным двигателем. Чтобы снизить мощность инвертора и его стоимость, повысить КПД, по сравнению с асинхронным приводом, ведущие зарубежные производители BMW и Renault (модели BMW iX3, Renault Zoe, Renault Fluence) разработали для своих электромобилей синхронные двигатели без магнитов и с обмоткой возбуждения на роторе (далее используется термин «СМсОВ»). Снижение требуемой мощности инвертора и повышение КПД обеспечивается возможностью управления магнитным потоком возбуждения в СМсОВ. Однако в электрических машинах BMW iX3 и Renault Zoe используются скользящий контакт (контактные кольца) для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе, что снижает надежность машины. Известны одноименнополюсные синхронные машины с обмоткой возбуждения на статоре и зубчатым ротором (далее «ОСМ») без магнитов. В таких ОСМ нет скользящих контактов, так как обмотка возбуждения размещена на статоре, поэтому машина обладает высокой надежностью. Такие машины активно применяются как высоконадежные подвагонные генераторы поездов дальнего следования, генераторы для тракторов, генераторы воздушных судов и сварочные генераторы. В некоторых недавних работах Московского энергетического института и лаборатории электрических машин Уральского федерального университета предложено использовать ОСМ в качестве тягового электродвигателя (двигатель для карьерного самосвала БеЛАЗ 75570, двигатель для поездов метро). Преимущества тяговых ОСМ, по сравнению с СМсОВ: 1) Предельно простой и надежный зубчатый ротор без обмотки возбуждения и скользящего контакта; 2) Малые потери в роторе и нагрев ротора вследствие отсутствия ОВ в роторе; 3) Обмотка возбуждения состоит из катушек кольцеобразной формы. Для создания нескольких полюсов не требуется увеличивать число катушек обмотки возбуждения, уменьшать их шаг и, следовательно, уменьшать магнитодвижущую силу возбуждения при том же токе возбуждения; Однако есть и недостатки ОСМ, в сравнении с СМсОВ: 1) Массогабаритные характеристики ОСМ хуже, чем у СМсОВ, т.к. каждый зубец ротора покрывает примерно полюсное деление (примерно половина поверхности ротора не используется); 2) Меньше коэффициент использования инвертора, т.е. отношение механической мощности к требуемой мощности инвертора при заданном диапазоне скоростей при постоянстве мощности, определяемой по максимальному току и максимальному напряжению в этом диапазоне. В данном проекте предлагается усовершенствовать конструкцию ОСМ с обмоткой возбуждения на статоре путем добавления дешевых ферритовых магнитов между зубцами ротора. ОСМ с ферритовыми магнитами будет иметь следующие преимущества, по сравнению с традиционными электрическими машинами, названными выше. В отличие от СМсОВ, ОСМ с ферритовыми магнитами имеет более высокую надежность и ресурс работы за счет отсутствия скользящего контакта и потерь, вызывающих нагрев ротора. В отличие от СМсРМ, ОСМ с ферритовыми магнитами не содержит редкоземельных магнитов, что снизит стоимость машины. Кроме того, при использовании ОСМ с ферритовыми магнитами не будет возникать сырьевой зависимости от Китая, так как сырье для производства ферритовых магнитов доступно в разных странах, в том числе и в РФ. В отличие от СМсРМ, в ОСМ с ферритовыми магнитами обмотка возбуждения позволяет добиться высокого КПД в широком диапазоне скоростей (моментов) при постоянстве мощности путем управления потоком возбуждения. В отличие от ОСМ без магнитов, в ОСМ с ферритовыми магнитами лучше используется поверхность ротора, что приведет к увеличению КПД, уменьшению мощности и стоимости инвертора, улучшению массогабаритных характеристик. Также ОСМ с ферритовыми магнитами могут быть использованы не только в электрическом и гибридном транспорте, но и в других приложениях, таких как генераторные установки, частотно-регулируемые электроприводы насосов, компрессоров, вентиляторов и т.д. Как показывает обзор литературных источников, тяговые и частотно-регулируемые ОСМ с ферритовыми магнитами между зубцов не описаны и не исследовались. Поэтому разработка новой конструкции ОСМ с ферритовыми магнитами, разработка методики математического моделирования и оптимального проектирования ОСМ с ферритовыми магнитами, выбор режимов их работы, обеспечивающих высокий КПД и снижение требуемой мощности инвертора, в том числе при большом диапазоне скоростей при постоянстве мощности, а также разработка оптимального алгоритма управления для ОСМ с ферритовыми магнитами, являются новыми исследованиями.