Симметрийно-резонансный механизм компенсации паразитных моментов генератора на постоянных магнитах при трогании и на холостом ходу

«Залипание» и вибрации статора генератора на постоянных магнитах приводят к его усиленному износу, шумности, снижению эффективности работы. В статье теоретически рассмотрена возможность устранения момента трогания и осцилляций момента вращения генератора на постоянных магнитах без нагрузки за счет взаимной компенсации взаимодействия катушек с полем постоянных магнитов при определенной симметрии этого поля. Данное явление названо пи-резонансом. Для заданного класса модельных потенциалов взаимодействия поля постоянных магнитов и катушек показано, что полная компенсация наступает при определенном числе катушек (Ns) и магнитов (Nr), в то время как для прочих комбинаций {Ns, Nr} взаимодействие носит характер осцилляций. Приведены соответствующие таблицы для различных классов потенциалов, которые могут служить основой для принятия конструкторских решений при создании генераторов. Пи-резонанс реализуется с большей вероятностью для четного числа катушек статора и нечетного числа магнитов, а также при увеличении числа катушек статора. Рассмотрены случаи как одностороннего, так и двустороннего расположения статоров относительно ротора. Численным моделированием показано, что пи-резонанс легко разрушается, в случае если размещение магнитов или катушек выполнено неточно, а также при внесении асимметрии в потенциал магнитного поля. Погрешность в угловом расположении катушек в 1° может привести к появлению существенного «зацепления» ротора с энергией порядка энергии взаимодействия изолированной пары магнит – катушка. К аналогичному по масштабу результату приводит нарушение симметрии потенциала, соответствующее добавлению пилообразной функции амплитудой 10 % от амплитуды симметричного периодического потенциала. Найденные закономерности могут быть использованы при проектировании эффективных генераторов с низким уровнем шума и вибраций.

1. Костенко, М. П. Электрические машины: в 2 ч. / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. М.: Энергия. 1973. Ч. 2. 648 с.

2. Ghasemi, A. Cogging Torque Reduction and Optimization in Surface-mounted Permanent Magnet Motor Using Magnet Segmentation Method / A. Ghasemi // Electric Power Components and Systems. 2014. Vol. 42, Iss. 12. P. 1239–1248. https://doi.org/10.1080/15325008.2014.893548.

3. Keyhani, A. Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines / A. Keyhani [et al.] // Electric Machines & Power Systems. 1999. Vol. 27, Iss. 7. P. 665–678. https://doi.org/10.1080/073135699268939.

4. Macek-Kamińska, Kr. The Use of Modern Tools in Simulation of Electromechanical Systems / Kr. Macek-Kamińska, M. Kamiński // Przegląd Elektrotechniczny. 2009. Vol. 3. P. 92–95.

5. Platt, D. Torque Calculation of Machines with Permanent Magnet Materials / D. Platt, S. Geetha // Electric Machines & Power Systems. 1996. Vol. 24, Iss. 4. P. 393–415. https://doi.org/10.1080/07313569608955682.

6. Фираго, Б. И. Исследование переходных процессов электропривода с синхронным двигателем с постоянными магнитами при линейном изменении частоты питающего напряжения / Б. И. Фираго, С. В. Александровский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. Т. 63, № 3. С. 197–211. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-197-211.

7. Магнитоэлектрический генератор: пат. WO2014074009A1 / C. М. Есаков, М. С. Есаков, А. Ю. Велико-Иваненко. Опубл. 15.05.2014.

8. Motor/Generator to Reduce Cogging Torque: Patent US7595575B2 / Yu. Kaneko, H. Nakayama. Publ. date 29.09.2009.

9. Two-Phase Permanent-Magnet Electric Rotating Machine: Patent US6172438B1 / Masafumi Sakamoto. Publ. date 09.01.2001.