Оптимизация ротора магнитоэлектрической синхронной машины с полюсными наконечниками в форме дуги эллипса

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.

1. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. Санкт-Петербург: Питер, 2008. 349 с. ISBN 978-5-469-01381-5. EDN: QMJUHP.

2. 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.

3. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. Москва: Высшая школа, 1990. 416 с. ISBN 5-06-000719-7.

4. Балагуров В. А., Галтеев Ф. Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. Москва: Энергоатомиздат, 1988. 280 с. ISBN 5-283-00556-9.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Шумов Ю. Н., Сафонов А. С. Сверхскоростные и ультраскоростные синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов // Электричество. 2014. № 3. С. 35–42. EDN: RWHHDD.

9. 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.

10. Вавилов В. Е. Выбор магнитной системы ротора электромеханических преобразователей энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Вестник машиностроения. 2018. № 1. С. 26–29. EDN: YNLWIH.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Finite element method magnetics. URL: http://www. femm.info/ (accessed: 15.01.2025).

18. 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.