Разработка тяговой бесщеточной синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе с управляемой магнитной анизотропией и с совмещенным двухфазным гармоническим возбудителем

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 АД имеют недостатки: 1) Большие потери и нагрев в роторе; 2) Массогабаритные характеристики хуже, чем у синхронных машин с редкоземельными магнитами (СМсРМ); 3) Более высокая мощность инвертора при необходимости большого диапазона регулирования (ДР) скорости вращения вверх от номинала при постоянстве мощности; 4) При стоянке транспортного средства под уклоном (например, на светофоре) за счет АД в режиме электрического тормоза при нулевой скорости ротора в транзисторах тягового инвертора возникают пульсации температуры большой амплитуды, которые приводят к ускоренному выходу транзисторов из строя. Альтернативой тяговому АД является СМсРМ, однако их широкому применению в электротранспорте мешают: 1) Высокая цена РМ; 2) Использование РМ создает технологическую зависимость от поставщиков редкоземельных элементов из Китая; 3) Добыча сырья для производства редкоземельных магнитов (РМ), наносит большой вред окружающей среде; 4) Большие потери на высокой скорости вращения из-за нерегулируемого магнитного потока РМ в приложениях с большим ДР. Поэтому актуальной является задача разработки новых тяговых двигателей без РМ с улучшенными характеристиками, по сравнению с АД. Перспективной технологией для преодоления недостатков АД и СМсРМ является синхронная машина с обмоткой возбуждения (СМсОВ) без постоянных магнитов, которую ведущие зарубежные производители (BMW, Renault) уже применяют для снижения стоимости и увеличения надежности инвертора, по сравнению с АД. Однако надежность с СМсОВ снижена из-за наличия скользящего контакта, а магнитная анизотропия ротора не выражена и не изменяется в соответствии с противоречивыми требованиями в разных режимах работы тягового привода. Применение же бесщеточного возбудителя для СМсОВ влечет увеличение стоимости, габаритов и массы машины. Для преодоления этих недостатков может быть применена СМсОВ с совмещенным гармоническим возбудителем. Данная заявка на грант посвящена разработке новой конструкции бесщеточной СМсОВ с управляемой магнитной анизотропией и с совмещенным двухфазным гармоническим возбудителем (СМсУМАиCДГВ). Ротор СМсУМАиCДГВ имеет прорези аналогичные прорезям ротора синхронной реактивной машины, обмотку возбуждения (ОВ) и двухфазную обмотку гармонического возбудителя (ОГВ). По сравнению с известными СМсОВ с совмещенным гармоническим возбудителем, предлагаемая СМсУМАиСДГВ имеет следующие преимущества: 1) Магнитопровод ротора на каждом полюсном делении имеет несколько прорезей, аналогичных таковым в синхронной реактивной машине, что расширяет ДР и увеличивает КПД; 2) Магнитная проводимость ротора по оси q увеличивается с ростом скорости, что способствует увеличению КПД на высокой скорости вращения; 3) В результате применения двухфазной ОГВ передача энергии в ОВ распределяется между фазами ОГВ, что существенного уменьшает искажение поля в воздушном зазоре и пульсации момента. Как показывает обзор литературных источников, тяговые СМсУМАиСДГВ не описаны в общедоступных литературных источниках и не исследовались. Поэтому разработка новой конструкции тяговой СМсУМАиСДГВ, разработка методики математического моделирования и оптимального проектирования СМсУМАиСДГВ, выбор режимов их работы, обеспечивающих высокий КПД и снижение требуемой мощности инвертора, в том числе при большом диапазоне скоростей (моментов) при постоянстве мощности, а также разработка бездатчикового алгоритма для СМсУМАиСДГВ являются новыми исследованиями.