omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2025-194-64-71DEYXKDomna-247Research ArticleЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКАENERGY AND ELECTRICAL ENGINEERINGОптимизация ротора магнитоэлектрической синхронной машины с полюсными наконечниками в форме дуги эллипсаOptimization of the rotor of a magnetoelectric synchronous machine with pole tips shaped as elliptical arcshttps://orcid.org/0000-0003-3621-3377ХарламовВ. В.KharlamovV. V.

Харламов Виктор Васильевич - доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), SPIN-код: 5093-8463. AuthorID (РИНЦ): 465264. AuthorID (SCOPUS): 7006332004.

Омск

Kharlamov Viktor Vasilyevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Electrical Machines and General Electrical Engineering Department, Omsk State Transport University (OSTU), SPIN-code: 5093-8463. AuthorID (RSCI): 465264. AuthorID (SCOPUS): 7006332004.

Omsk

emoe@omgups.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0970-937XМоскалевЮ. В.MoskalevYu. V.

Москалев Юрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС, гSPIN-код: 1422-1951. AuthorID (РИНЦ): 657144. AuthorID (SCOPUS): 57200088110.

Омск

Moskalev     Yuriy Vladimirovich - Candidate        of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Electrical Machines and General Electrical Engineering Department, OSTU, SPIN-code: 1422-1951. AuthorID (RSCI): 657144. AuthorID (SCOPUS): 57200088110.

Omsk

yuriyvm@mail.ruМилютинА. Ю.MilyutinA. Yu.

Милютин Алексей Юрьевич - аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС, SPIN-код: 3677-7130. AuthorID (РИНЦ): 1150404.

Омск

MilyutiN Aleksey Yur’yevich - Postgraduate of the Electrical Machines and General Electrical Engineering Department, OSTU, SPIN-code: 3677-7130. AuthorID (RSCI): 1150404.

Omsk

emoe@omgups.ruОмский государственный университет путей сообщенияРоссияOmsk State Transport UniversityRussian Federation202530062025026471Copyright © Харламов В.В., Москалев Ю.В., Милютин А.Ю., 20252025Харламов В.В., Москалев Ю.В., Милютин А.Ю.Kharlamov V.V., Moskalev Y.V., Milyutin A.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/247

В статье выполнена оптимизация ротора синхронной машины с тангенциально намагниченными магнитами, форма полюсных наконечников которого соответствует дуге эллипса. Моделирование магнитной цепи синхронной машины выполнено в программе FEMM. Решение оптимизационной задачи осуществлялось методом покоординатного спуска. По каждой координатной оси минимальное значение целевой функции определялось методом дихотомии. Допустимые диапазоны изменения варьируемых величин, которые задают размеры конструктивных элементов ротора, были учтены в виде границ отрезков в методе дихотомии по каждой координатной оси. Рассчитаны оптимальные значения размеров постоянных магнитов и полюсных наконечников на роторе, заданных по форме в виде дуги эллипса для четырехполюсной машины. Выполнено сравнение кривых нормальной составляющей магнитной индукции вдоль внутренней расточки сердечника статора синхронной машины с полюсными наконечниками в виде дуги окружности и в виде дуги эллипса. Изготовлен макетный образец четырехполюсной электрической машины с постоянными магнитами на роторе, получены кривые ЭДС обмотки статора на холостом ходу.

The article optimizes the rotor of a synchronous machine with tangentially magnetized magnets. The rotor pole tips have a shape resembling an arc of an ellipse. The simulation of the magnetic circuit of a synchronous machine is performed using the FEMM program. The optimization problem is solved using the coordinateby-coordinate descent method; for each coordinate axis, the minimum value of the objective function is determined by the dichotomy method. Permissible ranges of variation for the variable values, which define the dimensions of the rotor's structural elements, are considered as segment boundaries within the dichotomy method for each coordinate axis. The optimal size values of the permanent magnets and pole tips on the rotor, shaped as an elliptical arc for a four-pole machine, are calculated. The curves of the normal component of magnetic induction in the air gap of a synchronous machine with pole tips shaped as both a circular arc and an elliptical arc are compared. A mock-up of a four-pole electric machine with permanent magnets on the rotor is constructed, and the electromotive force curves of the stator winding at idle are obtained.

синхронная машинапостоянный магнитмагнитное полеполюсный наконечникоптимизацияметод покоординатного спускаметод дихотомииsynchronous machinepermanent magnetmagnetic fieldpole tipoptimizationcoordinate descent methoddichotomy methodReferencesВольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. Санкт-Петербург: Питер, 2008. 349 с. ISBN 978-5-469-01381-5. EDN: QMJUHP.Vol’dek A. I., Popov V. V. Elektricheskiye mashiny. Mashiny peremennogo toka [Electric cars. AC machines]. Saint Petersburg, 2008. 349 p. ISBN 978-5-469-01381-5. EDN: QMJUHP. (In Russ.).Hughes A., Drury B. Electric motors and drives: fundamentals, types and applications. Burlington: Newnes, 2013. 440 p. ISBN-13: 978-0-7506-4718-2, ISBN-10: 0-7506-4718-3.Hughes A., Drury B. Electric motors and drives: fundamentals, types and applications. Burlington: Newnes, 2013. 440 p. ISBN-13: 978-0-7506-4718-2, ISBN-10: 0-7506-4718-3.Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. Москва: Высшая школа, 1990. 416 с. ISBN 5-06-000719-7.But D. A. Beskontaktnyye elektricheskiye mashiny [Noncontact electric machines]. Moscow, 1990. 416 p. ISBN 5-06-000719-7. (In Russ.).Балагуров В. А., Галтеев Ф. Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. Москва: Энергоатомиздат, 1988. 280 с. ISBN 5-283-00556-9.Balagurov V. A., Galteev F. F. Elektricheskiye generatory s postoyannymi magnitami [Electric generators with permanent magnets]. Moscow, 1988. 280 p. ISBN 5-283-00556-9. (In Russ.).Кулешов Е. В., Сергеев В. Д. Быстроходный магнитоэлектрический синхронный ветрогенератор // Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии: материалы 8-й Всерос. науч.-тех. конф., Омск, 28–31 октября 2003 г. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2003. С. 338–344. EDN: THTFUT.Kuleshov E. V., Sergeyev V. D. Bystrokhodnyy magnitoelektricheskiy sinkhronnyy vetrogenerator [High-speed magnetoelectric synchronous wind generator] // Sovremennyye Tendentsii v Razvitii i Konstruirovanii Kollektornykh i Drugikh Elektromekhanicheskikh Preobrazovateley Energii. Omsk, 2003. P. 338–344. EDN: THTFUT. (In Russ.).Татевосян А. А. Научные основы проектирования оптимальных конструкций тихоходных синхронных генераторов с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок // Омский научный вестник. 2021. № 1 (175). С. 32–38. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-175-32-38. EDN: OKNPKC.Tatevosyan A. A. Nauchnyye osnovy proyektirovaniya optimal’nykh konstruktsiy tikhokhodnykh sinkhronnykh generatorov s postoyannymi magnitami dlya vetroenergeticheskikh ustanovok [Scientific basis for design low-speed synchronous permanent magnet generators for wind power plants]. Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2021. No. 1 (175). P. 32–38. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-175-32-38. EDN: OKNPKC. (In Russ.).Геча В. Я., Захаренко А. Б., Надкин А. К. Проектирование электромашины с постоянными магнитами, намагниченными по схеме Хальбаха // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2020. Т. 177, № 4. С. 3–10. EDN: NKFWTH.Gecha V. Ya., Zakharenko A. B., Nadkin A. K. Proyektirovaniye elektromashiny s postoyannymi magnitami, namagnichennymi po skheme Khal’bakha [Designing an electrical machine with permanent magnets magnetized according to halbach scheme]. Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM. Electromechanical Matters. VNIIEM Studies. 2020. Vol. 177, no. 4. P. 3–10. EDN: NKFWTH. (In Russ.).Шумов Ю. Н., Сафонов А. С. Сверхскоростные и ультраскоростные синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов // Электричество. 2014. № 3. С. 35–42. EDN: RWHHDD.Shumov Yu. N., Safonov A. S. Sverhskorostnye i ul'traskorostnye sinhronnye mashiny s vozbuzhdeniem ot postoyannyh magnitov [Superhigh and ultrahighspeed synchronous machines excited from permanent magnets: state, design features, and development prospects]. Elektrichestvo. 2014. No. 3. P. 35–42. EDN: RWHHDD. (In Russ.).Yusuke Miyajima. Brushless motor with permanent magnet rotor with magnetic poles with flux blocking parts/through holes towards the shaft forming angles. US patent 10,284,037B2; filed April 28th, 2015; published May 7th, 2019.Yusuke Miyajima. Brushless motor with permanent magnet rotor with magnetic poles with flux blocking parts/through holes towards the shaft forming angles. US patent 10,284,037B2; filed April 28th, 2015; published May 7th, 2019.Вавилов В. Е. Выбор магнитной системы ротора электромеханических преобразователей энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Вестник машиностроения. 2018. № 1. С. 26–29. EDN: YNLWIH.Vavilov V. E. Vybor magnitnoy sistemy rotora elektromekhanicheskikh preobrazovateley energii s vysokokoertsitivnymi postoyannymi magnitami [Selection of magnetic system of rotor of energy electromechanical converters with high-coercive permanent magnets]. Vestnik mashinostroyeniya. Russian Engineering Research. 2018. No. 1. P. 26–29. EDN: YNLWIH. (In Russ.).Магин В. В. Особенности проектирования роторов малошумных синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2015. Т. 144, № 1. С. 3–15. EDN: UXLBTF.Magin V. V. Osobennosti proyektirovaniya rotorov maloshchmnykh sinkhronnykh dvigateley s vozbuzhdeniyem ot postoyannykh magnitov [Design features of rotors of low-noise asynchronous motors with excitation from permanent magnets]. Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM. Electromechanical Matters. VNIIEM Studies. 2015. Vol. 144, no. 1. P. 3–15. EDN: UXLBTF. (In Russ.).Sato T., Igarashi H., Takahashi S. [et al.] Shape optimization of rotor in interior permanent magnet motor based on topology. IEEJ Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 135, no. 3. P. 291–298. DOI: 10.1541/ieejias.135.291.Sato T., Igarashi H., Takahashi S. [et al.] Shape optimization of rotor in interior permanent magnet motor based on topology. IEEJ Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 135, no. 3. P. 291–298. DOI: 10.1541/ieejias.135.291.Ishikawa T., Watanabe T., Kurita N. Effect of cleaning level on topology optimization of permanent magnet synchronous generator. IEEJ Journal of Industry Applications. 2017. Vol. 6, no. 6. P. 416–421. DOI: 10.1541/ieejjia.6.416.Ishikawa T., Watanabe T., Kurita N. Effect of cleaning level on topology optimization of permanent magnet synchronous generator. IEEJ Journal of Industry Applications. 2017. Vol. 6, no. 6. P. 416–421. DOI: 10.1541/ieejjia.6.416.Karnavas Y., Chasiotis I., Peponakis E. Permanent magnet synchronous motor design using grey wolf optimizer algorithm. International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2016. Vol. 6, no. 3. P. 1353–1362. DOI: 10.11591/ijece.v6i3.9771.Karnavas Y., Chasiotis I., Peponakis E. Permanent magnet synchronous motor design using grey wolf optimizer algorithm. International Journal of Electrical and Computer Engineering. 2016. Vol. 6, no. 3. P. 1353–1362. DOI: 10.11591/ijece.v6i3.9771.Харламов В. В., Москалев Ю. В., Милютин А. Ю. [и др.]. Оптимизация величины неравномерного воздушного зазора синхронной машины с постоянными магнитами на роторе // Омский научный вестник. 2023. № 2 (186). С. 112–118. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-186-112-118. EDN: RAPVDG.Kharlamov V. V., Moskalev Yu. V., Milyutin A. Yu. [et al.]. Optimizatsiya velichiny neravnomernogo vozdushnogo zazora sinkhronnoy mashiny s postoyannymi magnitami na rotore [Uneven air gap optimization of synchronous machine with permanent rotor magnets]. Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2023. No. 2 (186). P. 112–118. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-186-112-118. EDN: RAPVDG. (In Russ.).Харламов В. В., Москалев Ю. В., Милютин А. Ю. Оптимизация полюсных наконечников ротора синхронной машины с постоянными магнитами // Известия Транссиба. 2023. № 4 (56). С. 113–120. EDN: AYREDN.Kharlamov V. V., Moskalev Yu. V., Milyutin A. Yu. Optimizatsiya polyusnykh nakonechnikov rotora sinkhronnoy mashiny s postoyannymi magnitami [Optimization of rotor pole tips synchronous machine with permanent magnets]. Izvestiya Transsiba. Journal of Transsib Railway Studies. 2023. No. 4 (56). P. 113–120. EDN: AYREDN. (In Russ.).Finite element method magnetics. URL: http://www. femm.info/ (accessed: 15.01.2025).Finite element method magnetics. URL: http://www. femm.info/ (accessed: 15.01.2025).Borne P., Popescu D., Filip F. [et al.]. Optimization in engineering sciences: exact methods. London: Wiley, 2013. 307 p. ISBN 9781848214323. DOI: 10.1002/9781118577899.Borne P., Popescu D., Filip F. [et al.]. Optimization in engineering sciences: exact methods. London: Wiley, 2013. 307 p. ISBN 9781848214323. DOI: 10.1002/9781118577899.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.