Moteur de réseau Halbach

Le couple à réluctance est largement utilisé dans l'industrie comme moteur électrique à haute performance et à haut rendement parce qu'il peut utiliser le moteur synchrone à aimant permanent interne (IPMSM). Cependant, en raison de sa construction, le moteur synchrone à aimant permanent général présente un couple de cogging et une fluctuation du couple. Le centre est utilisé pour produire une force de cogging. La présence d'un nombre important d'harmoniques spatiales dans la distribution de la densité du flux magnétique de l'entrefer entraîne une ondulation du couple. En raison de la résonance entre le système mécanique et le système de contrôle, ces couples de cogging et ces ondulations de couple créent non seulement du bruit et des vibrations, mais ont également un impact négatif sur l'ensemble du système. Les résultats de l'étude ont été partagés dans le but de faire des efforts à la fois sur les composants matériels et logiciels.

comme la modification de la forme du rotor et l'ajout d'un annulateur d'ondulation.

Dans notre laboratoire, nous nous concentrons sur les réseaux Halbach doubles en tant que stratégie matérielle parce qu'ils produisent un champ magnétique avec une harmonique spatiale inférieure dans l'espace et peuvent atteindre des densités de flux magnétique exceptionnellement élevées sans qu'il soit nécessaire d'avoir un centre en matériau ferromagnétique. Il est possible d'obtenir à la fois une densité de flux magnétique élevée et un schéma sinusoïdal de densité de flux magnétique en utilisant le double réseau Halbach. Par conséquent, il est possible d'obtenir des moteurs électriques sans noyau avec un couple de cogging et une ondulation du couple très minimes.

Des recherches antérieures ont mis en évidence l'impact du nombre de divisions de l'aimant et de l'espacement des espaces sur le nombre de liaisons de flux lorsque l'aimant parallèle à double champ Halbach est plié en forme de cylindre pour créer un moteur synchrone à double champ Halbach. En outre, à l'aide d'un logiciel d'analyse du champ électromagnétique, la conception d'une machine réelle a été réalisée sur la base de cette étude.

Dans cet article, nous décrivons le processus utilisé pour créer un moteur synchrone sans noyau avec un double champ Halbach rotatif à 45° en utilisant l'architecture décrite ci-dessus.

Schéma du réseau Dual Halbach
Le réseau de Halbach est une configuration d'aimants permanents en rotation à des angles prédéfinis, avec une section transversale formée par un angle prédéterminé le long de la direction du pôle magnétique. Cette configuration se caractérise par le fait qu'un champ magnétique puissant ne se manifeste que d'un seul côté de l'aimant permanent. Un double réseau de Halbach est constitué de deux rangées de réseaux de Halbach organisées de manière à ce que les sections présentant les densités de flux magnétique les plus élevées soient parallèles l'une à l'autre. Le schéma de la ligne de flux magnétique d'un réseau Halbach double est illustré à la figure 1. Les orientations de polarisation des aimants permanents sont indiquées par des flèches sur l'illustration.

Tout d'abord, on constate que l'écart présente une distribution d'intensité de flux magnétique exceptionnellement élevée. Deuxièmement, le milieu de l'espace présente une répartition sinusoïdale de l'intensité du flux magnétique. En outre, il y a peu de perte de flux magnétique à l'extérieur des aimants parallèles, de sorte que les mesures de protection peuvent être réduites. L'orientation de l'aimantation du double réseau Halbach est tournée de 90 degrés sur la figure 1. En doublant par un nombre entier, il est possible de produire un champ magnétique sinusoïdal puissant au centre de la fente à 45 degrés ou 22,5 degrés, soit 360 degrés.

Forme typique d'un aimant fixe
À moins que le rapport d'aspect de l'aimant permanent utilisé dans le double réseau de Halbach ne soit exceptionnellement grand, le flux magnétique dans le réseau se concentre sur un côté. En utilisant un circuit magnétique pour analyser l'aimant à double champ Halbach, nous avons décidé d'utiliser un aimant permanent carré dans cette recherche. Un circuit magnétique utilisant un double champ Halbach et un aimant carré est illustré à la figure 2(a). La somme des forces magnétomotrices dans le chemin fermé symbolisant le flux magnétique de fuite dans cette figure est nulle, en supposant que la moitié de la force magnétomotrice faible permanente magnétisée dans la direction de l'axe y contribue à la force magnétique principale et que l'autre moitié contribue au flux magnétique de fuite.

Cela indique qu'il n'y a pas de fuite de flux magnétique. En revanche, la figure 2 (b) illustre le circuit magnétique du double réseau de Halbach utilisant un aimant rectangulaire. Le total des forces magnétomotrices dans la voie fermée représentant le flux magnétique de fuite n'est pas égal à zéro si la force magnétomotrice est spécifiée comme dans le cas d'un aimant carré. En d'autres termes, il y a un flux magnétique de fuite lorsqu'un aimant rectangulaire est utilisé.

L'aimant permanent a une forme d'éventail lorsqu'un double réseau Halbach est utilisé dans une machine à filer. Cependant, en effectuant une déformation équipartielle dans l'exemple précédent, les mêmes caractéristiques que celles d'un aimant carré sont également obtenues dans ce cas.

Les applications destinées aux vaisseaux spatiaux exigeants, comme le CMG (Control Moment Gyroscope) [1], qui requiert une précision de positionnement inférieure à 1%, sont particulièrement vulnérables aux effets négatifs de l'ondulation du couple.

secondes d'arc. Elles entraînent une dégradation de l'efficacité en provoquant des fluctuations de vitesse. En outre, la fluctuation du couple peut déclencher des résonances auditives génératrices de bruit dans la partie mécanique du système d'entraînement. Outre l'obtention d'une densité de couple et d'un rendement élevés, le facteur de conception le plus important lors de la sélection de moteurs toriques à faible vitesse et à haute performance pour les vaisseaux spatiaux est la réduction de l'ondulation du couple et des harmoniques qui y sont associées.

Afin de résoudre ce problème, les machines PMBLDC à réseau Halbach à flux radial et à rotor fermé sont proposées et examinées dans cet article. Bien que quelques machines PM à double rotor à flux radial [2], [3] et à double stator [4] aient été documentées, il n'y a pas beaucoup d'informations dans la littérature sur le potentiel d'une conception sans noyau à rotor fermé à flux radial utilisant le réseau d'Halbach.
En raison de leur durée de vie prolongée, de leur couple élevé et de leur haut rendement, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) se sont révélés être la meilleure forme de moteur pour les applications aérospatiales.

Il est professeur de grade sélectif au département d'électricité de la faculté d'ingénierie de l'université de Kerala, en Inde.
Les moteurs pas à pas sont plus économiques et présentent peu de pertes thermiques [5]. En raison de leur couple ondulatoire élevé, les moteurs pas à pas - un type unique de moteur BLDC - ne peuvent pas être utilisés pour les applications aérospatiales essentielles.
En outre, les recherches antérieures des auteurs [6] démontrent clairement l'importance du couple de détente, qui représente près de 13% du couple généré dans le moteur pas à pas.
Le couple de cogging généré par la machine et le couple de commutation lié au circuit d'entraînement sont tous deux des composantes du couple d'ondulation que l'on trouve dans les moteurs BLDC à aimant permanent. Le cogging, qui se traduit par une ondulation de la puissance produite par le moteur, est l'un des inconvénients de la construction des moteurs à fentes.

Cogging La variation de l'énergie magnétique contenue dans l'entrefer en raison du flux de particules et de la position angulaire du rotor est ce qui génère le couple. Il résulte de l'interaction entre le flux magnétique produit par le rotor et le changement de réluctance du stator induit par l'encoche. Cependant, la conception d'un moteur BLDC sans encoche élimine la composante ondulatoire de la dent de cogging et minimise les effets harmoniques de l'encoche, ce qui permet de répondre plus facilement au besoin de puissance régulière de l'application.

Cependant, une machine sans fente a une puissance de sortie réduite par rapport à une conception à fente comparable, car il y a généralement moins de flux magnétique traversant l'entrefer du moteur [7], [8]. Le champ magnétique puissant et constant de la magnétisation Halbach permet de compenser partiellement cette réduction de production.

décrit un moteur BLDC à aimant permanent avec un réseau Halbach et un rotor fermé sans effet de cogging. La conception utilise la capacité intrinsèque d'auto-bouclier du réseau Halbach, car elle permet l'utilisation de configurations sans noyau avec des rapports puissance/inertie élevés. Le moteur BLDC à rotor fermé utilise un enroulement statorique sans fente, contrairement aux moteurs PMBLDC traditionnels à encoche.
La forme concentrée de l'enroulement est utilisée parce qu'elle permet de réduire le nombre d'enroulements d'extrémité et d'éviter la duplication des enroulements de phase. Ce dispositif n'a pas de frottement ni de tension de cogging parce qu'il est à air comprimé. L'ajout d'un aimant focalisant le flux permet d'éliminer les pertes de noyau et le flux à travers le noyau de fer du rotor. En outre, la force augmente en même temps que la densité de flux moyenne de l'entrefer.

La présence de courants circulants dans les fils du stator est l'une des principales difficultés rencontrées dans la construction de machines sans noyau à rotor unique et à faible vitesse. Cela peut être attribué à la variance du flux qui les relie à travers le large entrefer de la machine. Le moteur BLDC Halbach à rotor fermé empêche les courants de circulation dans les fils du stator en distribuant un flux d'entrefer constant le long du rayon de la machine. En raison de ses avantages, cette machine est un excellent choix pour les engins spatiaux à faible vitesse et à couple élevé qui nécessitent une précision de positionnement inférieure à une seconde d'arc. La circonférence extérieure et la longueur axiale de la machine sont respectivement de 123 mm et 40 mm, conformément aux besoins de l'application spatiale.

Il faut donc créer un plan qui réponde aux exigences de la CMG ainsi qu'à d'autres utilisations des engins spatiaux.