Motore a griglia Halbach

La coppia a riluttanza è ampiamente utilizzata nell'industria come motore elettrico ad alte prestazioni e ad alta efficienza, perché può sfruttare il motore sincrono a magneti permanenti interni (IPMSM). Tuttavia, a causa della sua struttura, l'IPMSM generale presenta una coppia di cogging e una fluttuazione di coppia. Il centro viene utilizzato per produrre la forza di cogging. La presenza di un numero significativo di armoniche spaziali nella distribuzione della densità di flusso magnetico della fessura determina un'ondulazione della coppia. A causa della risonanza tra il sistema meccanico e il sistema di controllo, queste coppie di cogging e le ondulazioni di coppia non solo creano rumore e vibrazioni, ma hanno anche un impatto negativo sull'intero sistema. Nel tentativo di compiere sforzi sia per i componenti hardware che per quelli software, sono stati condivisi i risultati dello studio.

come la modifica della forma del rotore e l'aggiunta di un annullatore di ondulazione.

Nel nostro laboratorio, ci concentriamo sugli array Halbach doppi come strategia hardware perché producono un campo magnetico con un'armonica spaziale inferiore nella fessura e possono raggiungere densità di flusso magnetico eccezionalmente elevate senza la necessità di un centro in materiale ferromagnetico. È possibile ottenere sia un'elevata densità di flusso magnetico sia un modello di densità di flusso magnetico sinusoidale utilizzando il doppio array di Halbach. Pertanto, è possibile realizzare motori elettrici senza nucleo con una coppia di cogging e un'ondulazione di coppia minime.

Ricerche precedenti hanno chiarito l'impatto che il numero di divisione del magnete e la distanza tra le fessure hanno sul numero di collegamenti di flusso quando il magnete parallelo a doppio campo di Halbach viene piegato a forma di cilindro per creare un motore sincrono a doppio campo di Halbach. Inoltre, utilizzando un software per l'analisi del campo elettromagnetico, è stato realizzato un progetto di macchina reale basato su questo studio.

In questo articolo descriviamo il processo utilizzato per creare un motore sincrono senza nucleo con un campo Halbach doppio rotante a 45° utilizzando l'architettura descritta in precedenza.

Schema dell'array Dual Halbach
L'array di Halbach è una configurazione di magneti permanenti rotanti ad angoli prestabiliti, con una sezione trasversale formata da un angolo predeterminato lungo la direzione del polo magnetico. Una caratteristica distintiva di questa disposizione è che un potente campo magnetico si manifesta solo su un lato del magnete permanente. Un array Halbach doppio è costituito da due file di array Halbach organizzati in modo che le sezioni con le densità di flusso magnetico più elevate siano parallele tra loro. L'andamento delle linee di flusso magnetico dell'array Halbach doppio è illustrato nella Fig. 1. Gli orientamenti di polarizzazione dei magneti permanenti sono indicati dalle frecce nella figura.

In primo luogo, la fessura presenta una distribuzione dell'intensità del flusso magnetico eccezionalmente elevata. In secondo luogo, la parte centrale della fessura presenta una distribuzione sinusoidale dell'intensità del flusso magnetico. Inoltre, la perdita di flusso magnetico al di fuori dei magneti paralleli è minima, per cui è possibile ridurre le fasi di protezione. L'orientamento della magnetizzazione dell'array Halbach doppio è ruotato di 90 gradi nella Fig. 1 e, raddoppiando per un numero intero, è possibile produrre un potente campo magnetico sinusoidale al centro della fessura a 45 gradi o 22,5 gradi, ovvero 360 gradi.

Forma tipica del magnete fisso
A meno che il rapporto di aspetto del magnete permanente utilizzato nel campo doppio di Halbach non sia eccezionalmente grande, il flusso magnetico nel campo si concentra su un lato. Utilizzando un circuito magnetico per analizzare il magnete a doppio campo di Halbach, abbiamo deciso di utilizzare un magnete permanente quadrato in questa ricerca. La Fig. 2(a) mostra un circuito magnetico che utilizza un campo Halbach doppio e un magnete quadrato. La somma delle forze magnetomotrici nel percorso chiuso che simboleggia il flusso magnetico disperso in questa figura è pari a zero, assumendo che metà della debole forza magnetomotrice permanente magnetizzata nella direzione dell'asse y contribuisca alla forza magnetica principale e l'altra metà al flusso magnetico disperso.

Ciò indica che non c'è fuga di flusso magnetico. D'altra parte, la Fig. 2 (b) illustra il circuito magnetico del doppio array di Halbach utilizzando un magnete rettangolare. Il totale delle forze magnetomotrici nel percorso chiuso che rappresenta la perdita di flusso magnetico non è uguale a zero se la forza magnetomotrice è specificata come nel caso di un magnete quadrato. In altri termini, c'è un flusso magnetico disperso quando si utilizza un magnete rettangolare.

Il magnete permanente ha una forma a ventaglio quando viene utilizzato un doppio array di Halbach in una macchina per la rotazione. Tuttavia, grazie alla deformazione equipotenziale dell'esempio precedente, anche in questo caso si ottengono le stesse caratteristiche di un magnete quadrato.

Le applicazioni per le navicelle spaziali più esigenti, come il CMG (Control Moment Gyroscope) [1], che richiede una precisione di posizionamento inferiore a 1%, sono particolarmente vulnerabili agli impatti negativi del ripple di coppia.

secondi d'arco. Esse causano una degradazione dell'efficienza provocando fluttuazioni della velocità. Inoltre, la fluttuazione della coppia può innescare risonanze che producono rumore uditivo nella parte meccanica del sistema di azionamento. Oltre a raggiungere un'elevata densità di coppia e un'alta efficienza, il fattore di progettazione più cruciale nella scelta di motori torcenti a bassa velocità e alte prestazioni per l'impiego in astronavi è la riduzione dell'ondulazione di coppia e delle armoniche ad essa associate.

Per affrontare questo problema, in questo articolo vengono proposte ed esaminate le macchine PMBLDC ad array di Halbach a flusso radiale con rotore chiuso. Sebbene siano state documentate alcune macchine PM a doppio rotore a flusso radiale [2], [3] e a doppio statore [4], non ci sono molte informazioni in letteratura sul potenziale di un progetto a rotore chiuso a flusso radiale senza nucleo che utilizza l'array di Halbach.
Grazie alla loro lunga durata, all'elevata coppia e all'alta efficienza, i motori brushless a corrente continua (BLDC) si sono dimostrati la migliore forma di motore in assoluto per gli usi aerospaziali.

È professore di selezione presso il Dipartimento di Elettricità della Facoltà di Ingegneria dell'Università del Kerala, in India.
e di una ridotta perdita termica [5]. A causa dell'elevata coppia di ondulazione, i motori passo-passo, un tipo unico di motore BLDC, non possono essere utilizzati per usi aerospaziali essenziali.
Inoltre, la precedente ricerca degli autori [6] dimostra inequivocabilmente l'entità della coppia di arresto, che rappresenta quasi 13% della coppia generata nel motore passo-passo.
La coppia di cogging generata dalla macchina e la coppia di commutazione legata al circuito di azionamento sono entrambe componenti della coppia di ondulazione riscontrata nei motori BLDC a magneti permanenti. Il cogging, che si traduce in un'ondulazione della potenza prodotta dal motore, è uno degli svantaggi della costruzione dei motori a scanalature.

Cogging La variazione dell'energia magnetica trattenuta nel traferro a causa del flusso di PM e della posizione angolare del rotore genera la coppia. È il risultato dell'interazione tra il flusso magnetico prodotto dal rotore e la variazione della riluttanza dello statore indotta dalla scanalatura. Tuttavia, un motore BLDC senza scanalature elimina la componente di ondulazione del dente del cogging e presenta effetti armonici minimi della scanalatura, rendendo più facile raggiungere l'esigenza di una potenza di uscita regolare.

Tuttavia, una macchina senza scanalature ha una potenza ridotta rispetto a un progetto analogo con scanalature, perché in genere il flusso magnetico che attraversa il traferro del motore è inferiore [7],[8]. Il campo magnetico potente e costante della magnetizzazione di Halbach consente di compensare parzialmente questa riduzione di produzione.

rappresenta un motore BLDC a magneti permanenti con un array di Halbach e un rotore chiuso a cogging zero. Il progetto sfrutta la capacità intrinseca di autoschermatura della matrice di Halbach, che consente di utilizzare configurazioni senza nucleo con un elevato rapporto potenza/inerzia. Il motore BLDC a rotore chiuso utilizza avvolgimenti statorici senza scanalature, a differenza dei tradizionali motori PMBLDC a scanalature.
Poiché fornisce una minore quantità di avvolgimenti finali e impedisce la duplicazione degli avvolgimenti di fase, viene utilizzata una forma di avvolgimento concentrato. Questo dispositivo è privo di stiction e di tensioni di cogging, perché è dotato di un'anima in aria. Aggiungendo un magnete che focalizza il flusso, si eliminano le perdite di nucleo e il flusso attraverso il nucleo di ferro del rotore. Inoltre, la forza aumenta con la densità di flusso media del traferro.

La presenza di correnti circolanti nei fili dello statore è una delle principali difficoltà incontrate nella costruzione di macchine coreless a rotore singolo a bassa velocità. Ciò può essere attribuito alla variazione di flusso che li collega attraverso l'ampio traferro della macchina. Il motore BLDC Halbach a rotore chiuso evita le correnti circolanti nei fili dello statore distribuendo un flusso costante nel traferro lungo il raggio della macchina. Grazie ai suoi vantaggi, questa macchina è un'ottima scelta per gli impieghi di veicoli spaziali a bassa velocità e coppia elevata che richiedono una precisione di posizionamento inferiore a un secondo d'arco. La circonferenza esterna e la lunghezza assiale della macchina sono state scelte rispettivamente di 123 mm e 40 mm, in base alle esigenze dell'applicazione navale.

Di conseguenza, è necessario creare un piano che soddisfi i requisiti per il CMG e per gli altri usi del veicolo spaziale.