Halbach-Array-Motor

Das Reluktanzdrehmoment wird in der Industrie in großem Umfang als leistungsstarker und hocheffizienter Elektromotor eingesetzt, da es den internen Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) nutzen kann. Aufgrund seiner Konstruktion weist der allgemeine IPMSM jedoch ein Rastmoment und Drehmomentschwankungen auf. Das Zentrum wird zur Erzeugung von Rastmomenten verwendet. Und das Vorhandensein einer beträchtlichen Anzahl von Raumharmonischen in der magnetischen Flussdichteverteilung des Spalts führt zu einer Drehmomentwelligkeit. Aufgrund des Auftretens von Resonanzen zwischen dem mechanischen System und dem Steuerungssystem verursachen diese Rastmomente und Drehmomentwellen nicht nur Lärm und Vibrationen, sondern wirken sich auch negativ auf das gesamte System aus. In dem Bemühen, sowohl bei den Hardware- als auch bei den Softwarekomponenten anzusetzen, wurden die Ergebnisse der Studie gemeinsam genutzt.

wie z. B. die Änderung der Rotorform und die Hinzufügung eines Ripple Cancellers.

In unserem Labor konzentrieren wir uns auf duale Halbach-Arrays als Hardware-Strategie, weil sie ein Magnetfeld mit einer niedrigeren Raumharmonischen im Spalt erzeugen und außergewöhnlich hohe magnetische Flussdichten erreichen können, ohne dass ein Zentrum aus ferromagnetischem Material erforderlich ist. Mit dem dualen Halbach-Array ist es möglich, sowohl eine hohe magnetische Flussdichte als auch ein sinusförmiges magnetisches Flussdichtemuster zu erreichen. Daher sind kernlose Elektromotoren mit sehr geringem Rastmoment und minimaler Drehmomentwelligkeit realisierbar.

Frühere Forschungsarbeiten haben deutlich gemacht, welchen Einfluss die Anzahl der Magnetteilungen und die Spaltabstände auf die Flussverknüpfungszahl haben, wenn der parallele Doppel-Halbach-Feldmagnet in eine Zylinderform gebogen wird, um einen Doppel-Halbach-Feldmagnet-Synchronmotor zu schaffen. Darüber hinaus wurde auf der Grundlage dieser Studie mit Hilfe von Software für die elektromagnetische Feldanalyse ein reales Maschinendesign durchgeführt.

In diesem Artikel wird das Verfahren beschrieben, mit dem ein kernloser Synchronmotor mit einem 45°-Doppel-Halbach-Drehfeld unter Verwendung der oben beschriebenen Architektur entwickelt wurde.

Grundriss des Dual Halbach Arrays
Bei der Halbach-Anordnung handelt es sich um eine Anordnung von sich drehenden Dauermagneten in vorgegebenen Winkeln, wobei der Querschnitt durch einen vorbestimmten Winkel entlang der Magnetpolrichtung gebildet wird. Eine Besonderheit dieser Anordnung ist, dass sich ein starkes Magnetfeld nur auf einer Seite des Dauermagneten ausbildet. Ein Dual-Halbach-Array besteht aus zwei Reihen von Halbach-Arrays, die so angeordnet sind, dass die Abschnitte mit den höchsten magnetischen Flussdichten parallel zueinander liegen. Das Muster der magnetischen Flusslinien eines dualen Halbach-Arrays ist in Abb. 1 dargestellt. Die Polarisationsrichtungen der Permanentmagnete sind in der Abbildung durch Pfeile gekennzeichnet.

Erstens weist der Spalt eine Verteilung mit außergewöhnlich hoher magnetischer Flussintensität auf. Zweitens weist die Mitte des Spalts eine sinusförmige Verteilung der magnetischen Flussintensität auf. Außerdem ist der Verlust an magnetischem Fluss außerhalb der parallelen Magnete gering, so dass die Schutzstufen reduziert werden können. Die Magnetisierungsausrichtung des dualen Halbach-Arrays ist in Abb. 1 um 90 Grad gedreht, und durch Verdoppelung um eine ganze Zahl ist es möglich, ein starkes sinusförmiges Magnetfeld in der Mitte des Spalts bei 45 Grad oder 22,5 Grad, also 360 Grad, zu erzeugen.

Typische Form des Festmagneten
Wenn das Seitenverhältnis des in der doppelten Halbach-Anordnung verwendeten Dauermagneten nicht außergewöhnlich groß ist, konzentriert sich der magnetische Fluss in der Anordnung auf eine Seite. Durch die Verwendung eines magnetischen Kreises zur Analyse des Doppel-Halbach-Feldmagneten haben wir uns für die Verwendung eines quadratischen Dauermagneten in dieser Forschung entschieden. Abb. 2(a) zeigt einen Magnetkreis mit einem doppelten Halbachfeld und einem quadratischen Magneten. Die Summe der magnetomotorischen Kräfte im geschlossenen Pfad, der in dieser Abbildung den magnetischen Streufluss symbolisiert, ist gleich Null, wenn man davon ausgeht, dass die Hälfte der schwachen magnetomotorischen Dauerkraft, die in Richtung der y-Achse magnetisiert wird, zur Hauptmagnetkraft und die andere Hälfte zum magnetischen Streufluss beiträgt.

Dies zeigt, dass kein magnetischer Fluss entweicht. Andererseits zeigt Abb. 2 (b) den magnetischen Kreis des doppelten Halbach-Arrays unter Verwendung eines rechteckigen Magneten. Die Summe der magnetomotorischen Kräfte in der geschlossenen Strecke, die den magnetischen Streufluss darstellt, ist nicht gleich Null, wenn die magnetomotorische Kraft wie im Fall eines rechteckigen Magneten angegeben wird. Mit anderen Worten, es gibt einen magnetischen Streufluss, wenn ein rechteckiger Magnet verwendet wird.

Der Dauermagnet hat eine Fächerform, wenn eine doppelte Halbach-Anordnung in einer Spinnmaschine verwendet wird. Durch die äquipartiale Verformung im vorherigen Beispiel werden jedoch auch hier die gleichen Eigenschaften wie bei einem Vierkantmagneten erreicht.

Anwendungen für anspruchsvolle Raumschiffe, wie das CMG (Control Moment Gyroscope) [1], das eine Positionsgenauigkeit von weniger als 1% erfordert, sind besonders anfällig für die negativen Auswirkungen der Drehmomentwelligkeit.

Bogensekunden. Sie führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads, da sie Drehzahlschwankungen verursachen. Darüber hinaus kann die Drehmomentschwankung im mechanischen Teil des Antriebssystems geräuschvolle Resonanzen auslösen. Neben der Erzielung einer hohen Drehmomentdichte und eines hohen Wirkungsgrads besteht der wichtigste Konstruktionsfaktor bei der Auswahl von Hochleistungs-Torquemotoren für Raumschiffe darin, die Drehmomentwelligkeit und die damit verbundenen Oberschwingungen zu reduzieren.

Um dieses Problem zu lösen, werden in diesem Artikel PMBLDC-Maschinen mit geschlossenem Rotor und Halbach-Array-Radialfluss vorgeschlagen und untersucht. Obwohl einige Radialfluss-Doppelrotoren mit Kern [2],[3] und PM-Maschinen mit zwei Statoren [4] dokumentiert wurden, gibt es in der Literatur nicht viele Informationen über das Potenzial einer Radialfluss-Konstruktion mit geschlossenem Rotor ohne Kern unter Verwendung eines Halbach-Arrays.
Aufgrund ihrer langen Lebensdauer, ihres hohen Drehmoments und ihres hohen Wirkungsgrads haben sich bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) als die beste Motorart für die Luft- und Raumfahrt erwiesen.

Sie ist Professorin für Elektrotechnik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität von Kerala in Indien.
Wirtschaftlichkeit und geringe thermische Verluste [5]. Aufgrund ihres hohen Welligkeitsmoments können Schrittmotoren - eine besondere Art von BLDC-Motoren - nicht für wichtige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden.
Darüber hinaus zeigt die frühere Forschung der Autoren [6] unmissverständlich die Größe des Rastmoments, das fast 13% des im Schrittmotor erzeugten Drehmoments ausmacht.
Das von der Maschine erzeugte Rastmoment und das mit der Antriebsschaltung verbundene Kommutierungsmoment sind beide Bestandteile des Welligkeitsmoments, das bei BLDC-Motoren mit Permanentmagneten auftritt. Das Rastmoment, das zu einer Welligkeit der vom Motor erzeugten Leistung führt, ist einer der Nachteile der genuteten Motorkonstruktion.

Cogging Die Änderung der im Luftspalt gehaltenen magnetischen Energie aufgrund des PM-Flusses und der Winkellage des Rotors erzeugt das Drehmoment. Es ergibt sich aus dem Zusammenspiel des vom Rotor erzeugten magnetischen Flusses und der durch die Nuten verursachten Änderung der Statorreluktanz. Bei einem nutenlosen BLDC-Motor entfällt jedoch die Zahnwelligkeitskomponente des Cogging und die Oberwelleneffekte der Nut sind minimal, so dass die für die Anwendung erforderliche gleichmäßige Leistungsabgabe leichter zu erreichen ist.

Eine nutenlose Maschine hat jedoch eine geringere Leistungsabgabe als eine vergleichbare geschlitzte Konstruktion, da in der Regel weniger magnetischer Fluss durch den Luftspalt des Motors fließt [7],[8]. Das starke und gleichmäßige Magnetfeld der Halbach-Magnetisierung ermöglicht es, diesen Produktionsrückgang teilweise auszugleichen.

zeigt einen permanentmagneterregten BLDC-Motor mit einem Halbach-Array und einem gekapselten Rotor, der kein Cogging aufweist. Das Design nutzt die dem Halbach-Array innewohnende Fähigkeit zur Selbstabschirmung, da es die Verwendung von kernlosen Konfigurationen mit hohem Leistungs-Trägheits-Verhältnis ermöglicht. Der BLDC-Motor mit geschlossenem Rotor verwendet eine nutenlose Statorwicklung im Gegensatz zu herkömmlichen PMBLDC-Motoren mit Kerben.
Die konzentrierte Form der Wicklung wird verwendet, weil sie weniger Endwicklungen erfordert und eine doppelte Phasenwicklung verhindert. Dieses Gerät hat keine Haftreibung und keine Rastspannung, da es luftgekühlt ist. Durch das Hinzufügen eines flussfokussierenden Magneten werden sowohl Kernverluste als auch der Fluss durch den Eisenkern des Rotors eliminiert. Außerdem steigt die Kraft in dem Maße, in dem die mittlere Luftspalt-Flussdichte steigt.

Das Vorhandensein von Zirkulationsströmen in den Ständerdrähten ist eine der Hauptschwierigkeiten bei der Konstruktion von kernlosen Einläufer-Maschinen mit niedriger Drehzahl. Dies kann auf die Flussvarianz zurückgeführt werden, die sie über den breiten Luftspalt der Maschine miteinander verbindet. Der Halbach-BLDC-Motor mit geschlossenem Rotor verhindert zirkulierende Ströme in den Ständerdrähten, indem er einen gleichmäßigen Luftspaltfluss über den Radius der Maschine verteilt. Diese Maschine ist aufgrund ihrer Vorteile eine hervorragende Wahl für Raumfahrzeuge mit niedrigen Geschwindigkeiten und hohem Drehmoment, die eine Positionsgenauigkeit von weniger als einer Bogensekunde erfordern. Der Außenumfang und die axiale Länge der Maschine wurden entsprechend den Anforderungen der Raumschiffanwendung mit 123 mm bzw. 40 mm gewählt.

Folglich muss ein Plan erstellt werden, der sowohl die Anforderungen für CMG als auch für andere Raumfahrtanwendungen erfüllt.