Motor Halbach Array

El par de reluctancia se utiliza ampliamente en la industria como motor eléctrico de alto rendimiento y gran eficiencia porque puede hacer uso del motor síncrono de imanes permanentes internos (IPMSM). Sin embargo, debido a su construcción, el IPMSM general exhibe par cogging y fluctuación de par. El centro se utiliza para producir la fuerza de arrastre. Y la presencia de un número significativo de armónicos espaciales en la distribución de la densidad de flujo magnético del hueco da lugar a la ondulación del par. Debido a la aparición de resonancias entre el sistema mecánico y el sistema de control, estos pares de arrastre y ondulaciones de par no sólo crean ruido y vibraciones, sino que también tienen un impacto negativo en todo el sistema. En un esfuerzo por realizar esfuerzos tanto desde el punto de vista de los componentes de hardware como de software, se han compartido los resultados del estudio.

como la modificación de la forma del rotor y la adición de un cancelador de ondulaciones.

En nuestro laboratorio, nos centramos en las matrices duales de Halbach como estrategia de hardware porque producen un campo magnético con un armónico espacial más bajo en el hueco y pueden lograr densidades de flujo magnético excepcionalmente altas sin necesidad de un centro hecho de material ferromagnético. Es factible conseguir tanto una alta densidad de flujo magnético como un patrón de densidad de flujo magnético sinusoidal utilizando la matriz Halbach doble. Por lo tanto, son viables los motores eléctricos sin núcleo con un par de arrastre y una ondulación del par mínimos.

Investigaciones anteriores han dejado claro el impacto que el número de división del imán y el espaciado de la separación tienen en el número de enlace de flujo cuando el imán de campo Halbach dual paralelo se dobla en forma de cilindro para crear un motor síncrono de imán de campo Halbach dual. Además, utilizando software para el análisis del campo electromagnético, se realizó un diseño real de la máquina basado en este estudio.

En este artículo, describimos el proceso utilizado para crear un motor síncrono sin núcleo con un campo Halbach doble giratorio de 45° utilizando la arquitectura descrita anteriormente.

Esquema del sistema Dual Halbach
La disposición Halbach es una configuración de imanes permanentes giratorios en ángulos preestablecidos, con una sección transversal formada por un ángulo predeterminado a lo largo de la dirección de los polos magnéticos. Una característica distintiva de esta disposición es que sólo se manifiesta un potente campo magnético en un lado del imán permanente. Un sistema Halbach doble está formado por dos filas de sistemas Halbach organizadas de forma que las secciones con las mayores densidades de flujo magnético sean paralelas entre sí. En la Fig. 1 se representa el patrón de líneas de flujo magnético de la matriz Halbach doble. Las orientaciones de polarización de los imanes permanentes se indican con flechas en la ilustración.

En primer lugar, la brecha presenta una distribución de intensidad de flujo magnético excepcionalmente alta. En segundo lugar, el centro del hueco presenta una distribución sinusoidal de la intensidad del flujo magnético. Además, hay poca pérdida de flujo magnético fuera de los imanes paralelos, por lo que se pueden reducir los pasos de protección. La orientación de magnetización de la matriz Halbach dual se gira 90 grados en la Fig. 1, y duplicando por un número entero, es posible producir un potente campo magnético sinusoidal en el centro de la brecha a 45 grados o 22,5 grados, lo que equivale a 360 grados.

Forma típica de imán fijo
A menos que la relación de aspecto del imán permanente utilizado en el conjunto dual Halbach sea excepcionalmente grande, el flujo magnético en el conjunto se concentra en un lado. Usando un circuito magnético para analizar el campo magnético dual Halbach, tomamos la decisión de usar un imán permanente cuadrado en esta investigación. En la Fig. 2(a) se muestra un circuito magnético utilizando un arreglo Halbach dual y un imán cuadrado. La suma de las fuerzas magnetomotrices en el camino cerrado que simboliza el flujo magnético de fuga en esta figura es cero, asumiendo que la mitad de la fuerza magnetomotriz débil permanente magnetizada en la dirección del eje y contribuye a la fuerza magnética principal y la otra mitad contribuye al flujo magnético de fuga.

Esto indica que no hay escape de flujo magnético. Por otro lado, la Fig. 2 (b) ilustra el circuito magnético del conjunto Halbach doble utilizando un imán rectangular. El total de las fuerzas magnetomotrices en la ruta cerrada que representa el flujo magnético de fuga no es igual a cero si la fuerza magnetomotriz se especifica como en el caso de un imán cuadrado. En otras palabras, hay flujo magnético de fuga cuando se utiliza un imán rectangular.

El imán permanente tiene forma de abanico cuando se utiliza una matriz Halbach doble en una máquina giratoria. Sin embargo, al realizar una deformación equiparable en el ejemplo anterior, también se consiguen en este caso las mismas características que las de un imán cuadrado.

Las aplicaciones para naves espaciales exigentes, como el giroscopio CMG (Control Moment Gyroscope) [1], que exige una precisión posicional inferior a 1%, son especialmente vulnerables a los efectos negativos de la ondulación del par.

segundos de arco. Provocan una degradación de la eficacia al causar fluctuaciones de velocidad. Además, la fluctuación del par puede desencadenar resonancias que producen ruido auditivo en la parte mecánica del sistema de accionamiento. Además de lograr una alta densidad de par y eficiencia, el factor de diseño más crucial a la hora de seleccionar motores torquer de baja velocidad y alto rendimiento para usos en naves espaciales es reducir la ondulación del par y sus armónicos asociados.

Con el fin de abordar esta cuestión, en este artículo se proponen y examinan las máquinas PMBLDC de flujo radial de rotor cerrado con matriz Halbach. Aunque se han documentado algunas máquinas de doble rotor de flujo radial de tipo núcleo [2],[3] y máquinas PM de doble estator [4], no hay mucha información en la literatura sobre el potencial de un diseño sin núcleo de rotor cerrado de flujo radial utilizando matriz Halbach.
Los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) han demostrado ser los mejores motores para usos aeroespaciales por su larga vida útil, alto par y gran eficiencia.

Es profesor de grado de selección en el Departamento de Electricidad de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kerala (India).
y escasas pérdidas térmicas [5]. Debido a su elevado par de ondulación, los motores paso a paso -un tipo único de motor BLDC- no pueden utilizarse para usos aeroespaciales esenciales.
Además, la investigación previa de los autores [6] demuestra inequívocamente el tamaño del par de retención, que representa casi 13% del par generado en el motor paso a paso.
El par cogging generado por la máquina y el par de conmutación vinculado al circuito de accionamiento son los dos componentes del par de ondulación que se encuentra en los motores BLDC de imanes permanentes. El cogging, que provoca una ondulación en la potencia producida por el motor, es uno de los inconvenientes de la construcción de motores ranurados.

Cogging El cambio de la energía magnética retenida en el entrehierro debido al flujo de PM y a la posición angular del rotor es lo que genera el par. Es el resultado de la interacción del flujo magnético producido por el rotor y el cambio inducido por las ranuras en la reluctancia del estator. Sin embargo, un diseño de motor BLDC sin ranuras elimina el componente de ondulación dentada del cogging y tiene efectos armónicos de ranura mínimos, lo que facilita la consecución de la necesidad de la aplicación de una salida de potencia suave.

Sin embargo, una máquina sin ranuras tiene una producción de potencia reducida en comparación con un diseño con ranuras comparable porque normalmente hay menos flujo magnético atravesando el entrehierro del motor [7],[8]. El potente y consistente campo magnético de la magnetización Halbach permite compensar parcialmente esta reducción de la producción.

representa un motor BLDC de imanes permanentes con una matriz Halbach y un rotor cerrado con cero cogging. El diseño aprovecha la capacidad intrínseca de autoapantallamiento de la matriz de Halbach, ya que permite utilizar configuraciones sin núcleo con elevadas relaciones potencia/inercia. El motor BLDC de rotor cerrado utiliza bobinado de estator sin ranuras, a diferencia de los motores PMBLDC tradicionales de tipo entallado.
Debido a que proporciona menos bobinado final y evita la duplicación del bobinado de fase, se utiliza la forma concentrada de bobinado. Este dispositivo carece de adherencia y de tensión de engrane porque tiene núcleo de aire. Al añadir un imán focalizador de flujo, se eliminan tanto la pérdida de núcleo como el flujo a través del núcleo de hierro del rotor. Además, la fuerza aumenta a medida que lo hace la densidad de flujo media del entrehierro.

La presencia de corrientes circulantes en los hilos del estator es una de las principales dificultades que se encuentran en la construcción de máquinas monorotor sin núcleo de baja velocidad. Esto puede atribuirse a la variación de flujo que los conecta a través del amplio entrehierro de la máquina. El motor BLDC Halbach de rotor cerrado evita las corrientes circulantes en los cables del estator distribuyendo un flujo constante en el entrehierro a lo largo del radio de la máquina. Gracias a sus ventajas, esta máquina es una gran elección para aplicaciones espaciales de baja velocidad y alto par que requieren una precisión posicional inferior a un segundo de arco. La circunferencia exterior y la longitud axial de la máquina se eligen de 123 mm y 40 mm, respectivamente, de acuerdo con las necesidades de la aplicación de la nave espacial.

En consecuencia, debe crearse un plan que cumpla los requisitos tanto para CMG como para otros usos de la nave espacial.