Науковий вісник НГУ

Математичне моделювання безконтактного високошвидкісного двигуна із постійними магнітами

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №4 2025

Останнє оновлення: 26 серпня 2025

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1917

Authors:

М. А. Коваленко, orcid.org/0000-0002-5602-2001, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Д. В. Ципленков, orcid.org/0000-0002-0378-5400, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна; Дніпропетровський науково-дослідний інститут судової експертизи, м. Дніпро, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

І. Я. Коваленко*, orcid.org/0000-0003-1097-2041, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Є. О. Тітов, orcid.org/0009-0007-8222-7477, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

О. О. Базаров, orcid.org/0009-0008-8491-2678, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна,  e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025, (4): 108 - 116

https://doi.org/10.33271/nvngu/2025-4/108

Abstract:

Мета. Розробка чисельної двовимірної польової математичної моделі безконтактного високошвидкісного двигуна із постійними магнітами для оцінки його параметрів, характеристик і визначення величини втрат у магнітному осерді при різних способах керування.

Методика. Для розрахунку розподілу електромагнітного поля в розрахунковій області досліджуваного двигуна використовувався метод скінченних елементів. Для розробки двовимірних і тривимірних креслень розрахункової області використовувались методи й засоби автоматизованого проєктування. Для розрахунку втрат у магнітному осерді використовувалися чисельні методи розрахунку втрат, розроблені Джованні Бертотті. Для моделювання різних методів керування двигуном використовувався метод розкладу в ряд Фур’є й методи спектрального аналізу.

Результати. Розроблена двовимірна чисельна коло-польова математична модель безконтактного високошвидкісного двигуна із постійними магнітами. Модель розроблена для оцінки розподілу електромагнітного поля й вихрових струмів у конструктивних і активних елементах конструкції досліджуваного двигуна з метою визначення величини втрат за різних способів живлення. У роботі досліджена залежність утрат в окремих елементах конструкції досліджуваного двигуна при живленні від синусоїдального джерела напруги та при живленні від інвертора із ШІМ. Заміна постійних магнітів на магніти прямокутної форми дозволяє зменшити вартість виготовлення двигуна. При використанні прямокутної форми постійних магнітів зменшуються втрати у розрахунковій області, величина пульсацій електромагнітного моменту, однак зменшується величина тягового зусилля.

Наукова новизна. За допомогою розробленої чисельної коло-польової математичної моделі доведено, що втрати в магнітному осерді високошвидкісного двигуна та його конструктивних елементах суттєво залежать від способу керування й конфігурації магнітної системи та двигуна у цілому. Дослідження дозволяє вирішувати актуальні науково-практичні завдання, пов’язані з оптимізацією конструкції в залежності від критеріїв оптимізації: зменшення нагріву чи втрат, зменшення вібрації та шумів і т.ін.

Практична значимість. Результати моделювання свідчать про перспективність промислової реалізації високошвидкісних двигунів із постійними магнітами у складі різноманітних комплексів і систем: транспортних засобів, ручного електроінструменту, літальних апаратів, безпілотних пристроїв і систем, та інших.

Ключові слова: високошвидкісний двигун, математичне моделювання, постійні магніти, втрати в магнітному осерді, електромагнітний момент

References.

1. Golovko, V. M., Ostroverkhov, M. Ya., Kovalenko, M. A., Kovalenko, I. Ya., & Tsyplenkov, D. V. (2022). Mathematical simulation of autonomous wind electric installation with magnetoelectric generator. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 74-79. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-5/074

2. Chumack, V., Bazenov, V., Tymoshchuk, O., Kovalenko, M., Tsyvinskyi, S., Kovalenko, I., & Tkachuk, I. (2021). Voltage stabilization of a controlled autonomous magnetoelectric generator with a magnetic shunt and permanent magnet excitation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(5)(114), 56-62. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.246601

3. Ostroverkhov, M., Chumack, V., Kovalenko, M., & Kovalenko, I. (2022). Development of the control system for taking off the maximum power of an autonomous wind plant with a synchronous magnetoelectric generator. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(2)(118), 67-78. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263432

4. Gerada, D., Mebarki, A., Brown, N. L., Gerada, C., Cavagnino, A., & Boglietti (2013). A high-speed electrical machines: Technologies, trends, and developments. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61, 2946-2959. https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2286777

5. Dong, J., Huang, Y., Jin, L., & Lin, H. (2016). Comparative study of surface-mounted and interior permanent-magnet motors for high-speed applications. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26, 1-1. https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2514342

6. Parivar, H. (2022). An overview of high-speed permanent magnet synchronous machines: Materials, losses, and structures (SPM or IPM?). https://doi.org/10.13140/RG.2.2.24016.58884

7. Qi, Z., Zhang, Y., Yu, S., & Xu, Z. (2022). Design and analysis of a 30 kW, 30.000 r/min high-speed permanent magnet motor for compressor application. Energies, 15, 3923. https://doi.org/10.3390/en15113923

8. Yang, H., Zhu, Z. Q., Lin, H., Li, H., & Lyu, S. (2019). Analysis of consequent-pole flux reversal permanent magnet machine with biased flux modulation theory. IEEE Transactions on Industrial Electronics, PP, 1-1. https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2902816

9. Chumak, V., Ostrovierkhov, M., Kovalenko, M., Holovko, V., & Kovalenko, I. (2022). Correction of output power of non-multiplicator wind electrical installation at discrete and random speed values. Visnyk NTU “KhPI”. Series: Problems of electrical machines and apparatus perfection. Theory and practice, 2(8), 39-46. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2022.2.07

10.      Kovalenko, M., Tkachuk, I., Kovalenko, I., Zhuk, S., Kryshnov, O., Perepelytsia, O., & Titov, Ye. (2024). Overview of motors for heavy drones. Visnyk NTU “KhPI”. Series: Problems of electrical machines and apparatus perfection. Theory and practice, 1(11), 35-40. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2024.1.07

11.      Wan, Y., Li, Q., Guo, J., & Cui, S. (2020). Thermal analysis of a Gramme-ring-winding high-speed permanent-magnet motor for pulsed alternator using CFD. IET Electric Power Applications, 14. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2020.0086

12.      Aiso, K., Akatsu, K., & Aoyama, Y. (2021). A novel flux-switching magnetic gear for high-speed motor drive system. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68(6), 4727-4736. https://doi.org/10.1109/TIE.2020.2988230

13.      Wan, Y., Wu, S., & Cui, S. (2016). Choice of pole spacer materials for a high-speed PMSM based on the temperature rise and thermal stress. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26, 1-1. https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2594847

14.      Wan, Y., Cui, S., Wu, S., & Song, L. (2018). Electromagnetic design and losses analysis of a high-speed permanent magnet synchronous motor with toroidal windings for pulsed alternator. Energies, 11. https://doi.org/10.3390/en11030562

15.      Du, G., & Huang, N. (2019). Friction loss and thermal analysis of a high-speed permanent magnet machine for waste heat power generation application. IEEE Access, 1-1. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2940615

16.      Zhang, C., Chen, L., Wang, X., & Tang, R. (2020). Loss calculation and thermal analysis for high-speed permanent magnet synchronous machines. IEEE Access, 1-1. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2994754

17.      Feng, J., Wang, Y., Guo, S., Chen, Z., & Zhu, Z. Q. (2018). Split ratio optimization of high-speed permanent magnet brushless machines considering mechanical constraints. IET Electric Power Applications, 13. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2018.5051

18.      Qin, X.-F., & Shen, J. (2020). Split ratio optimisation of high-speed permanent magnet synchronous motor with multi-physics constraints. IET Electric Power Applications, 14, 2450-2461. https://doi.org/10.1049/iet-epa.2020.0308

19.      Ma, J. (2019). Optimal split ratio in small high-speed PM machines considering both stator and rotor loss limitations. China Electrotechnical Society Transactions on Electrical Machines and Systems, 3, 3-11. https://doi.org/10.30941/CESTEMS.2019.00002

20.      Du, G., Ye, W., Zhang, Y., Wang, L., & Pu, T. (2022). Comprehensive analysis of influencing factors of AC copper loss for high-speed permanent magnet machine with round copper wire windings. Machines, 10, 731. https://doi.org/10.3390/machines10090731

21.      Shin, K.-H., Park, H.-I., Cho, H.-W., & Choi, J.-Y. (2018). Semi-Three-Dimensional Analytical Torque Calculation and Experimental Testing of an Eddy Current Brake With Permanent Magnets. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1-1. https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2795010

22.      Shin, K.-H., Hong, K., Cho, H.-W., & Choi, J.-Y. (2018). Core Loss Calculation of Permanent Magnet Machines Using Analytical Method. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1-1. https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2800706

23.      Kim, C.-W., Koo, M.-M., Kim, J., Ahn, J.-H., Hong, K., & Choi, J.-Y. (2018). Core Loss Analysis of Permanent Magnet Linear Synchronous Generator with Slotless Stator. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1-1. https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2802904

24.      Zhu, S., Cheng, M., Dong, J., & Du, J. (2014). Core Loss Analysis and Calculation of Stator Permanent-Magnet Machine Considering DC-Biased Magnetic Induction. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61, 5203-5212. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2300062

25.      Okamoto, S., Denis, N., Ieki, M., Kato, Y., & Fujisaki, K. (2016). Core Loss Reduction of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Using Amorphous Stator Core. IEEE Transactions on Industry Applications, 52, 1-1. https://doi.org/10.1109/TIA.2016.2532279

• < Попередня
• Наступна >