Анализ особенностей магнитного поля синхронной электрической машины с многофазной дробной зубцовой обмоткой в полигармоническом режиме работы

Разработана аналитическая модель для расчета магнитного поля в многофазной синхронной электрической машине с дробными зубцовыми обмотками. Проведен гармонический анализ функций распределения магнитного поля возбуждения и магнитного поля реакции якоря с учетом наличия высших гармонических составляющих в функции магнитодвижущей силы постоянных магнитов, переменной магнитной проводимости воздушного зазора, полигармонического режима работы многофазной электрической машины и несинусоидального закона изменения пространственных обмоточных функций. В результате анализа приведено обоснование, что в исследуемой электрической машине девятифазная обмотка может извлекать с наибольшей эффективностью гармонические составляющие первого и третьего порядков вращающегося магнитного поля для создания потокосцепления и наведения электродвижущей силы (а также создавать магнитодвижущую силу с преобладающими пространственными гармониками первого и третьего порядков). В исследуемой электрической машине амплитуды рабочих гармоник индукции модулированного магнитного поля реакции якоря могут быть увеличены за счет модуляции нерабочих гармоник магнитодвижущей силы реакции якоря зубцами статора до первого и третьего порядков. Для проверки разработанных положений создана магнитостатическая векторная модель магнитного поля исследуемой электрической машины. Результаты моделирования подтвердили высокую результативность разработанной аналитической модели для расчета магнитного поля в синхронной электрической машине с дробными зубцовыми обмотками. Применение такой модели позволит наиболее достоверно выявить влияние геометрических параметров магнитной цепи и схемы многофазной обмотки на характер изменения функций индукции магнитного поля в воздушном зазоре при наименьших временных затратах в процессе оптимизации электрической машины.

1. Вольдек, А. И. Электрические машины. Машины переменного тока: учеб. для вузов / А. И. Вольдек, В. В. Попов. – СПб.: Питер, 2008. – 350 c.

2. Levi, E. Multiphase Electric Machine for Variable Speed Applications / E. Levi // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2008. – Vol. 55, № 5. – P. 1893–1909. https://doi.org/10.1109/tie.2008.918488

3. Шевченко, А.Ф. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических машин / А.Ф. Шевченко, Т.В. Честюнина // Электротехника. – 2009. – №12. – С. 3–7.

4. Шевченко, А. Ф. Электромеханические преобразователи энергии с модулированным магнитным потоком: дис. … д-ра техн. наук: 05.09.03 / А. Ф. Шевченко; Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 1999. – 340 л.

5. Пантелеев, С.В. Повышение энергетических показателей электрической машины путем применения многофазной зубцовой обмотки / С.В. Пантелеев, А.Н. Малашин // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – №3. – С. 80–86.

6. Пантелеев, С.В. Разработка системы векторного управления полупроводникового преобразователя, обеспечивающей полигармонический режим работы многофазной электрической машины / С.В. Пантелеев, А.Н. Малашин, А.Е. Каледа // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2020. – Т. 65, №3. – С. 331–339. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-3-331-339

7. Топорков, Д.М. Зубцовые пульсации момента в машинах с дробными обмотками и возбуждением от постоянных магнитов: дис. … канд. техн. наук: 05.09.01 / Д.М. Топорков; Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, 2016. – 139 л.

8. Slot harmonic effect on magnetic forces and vibration in low-speed permanent-magnet machine with concentrated windings / M. Valavi [et al.] // IEEE Trans. Ind. Appl. – 2014. – Vol. 50, № 5. – P. 3304–3313. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2309717

9. Aslan, B. Analytical Model of Magnet Eddy-Current Volume Losses in Multi-phase PM Machines with Concentrated Winding / B. Aslan, E. Semail, J. Legranger // ECCE’12, IEEE Energy Conversion Congress, Sept. 2012, United States. – P. 3371–3378. https://doi.org/10.1109/ECCE.2012.6342330

10. Шрейнер, Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – 583 с.

11. Голубев, А. Н. Математическая модель синхронного двигателя с многофазной статорной обмоткой / А. Н. Голубев, А. А. Лапин // Электротехника. – 1998. – № 9. – С. 8–13.

12. Лапин, А. А. Разработка многофазного синхронного регулируемого электропривода для мобильных установок: дис. … канд. техн. наук: 05.09.03 / А. А. Лапин; Иванов. гос. энергет. ун-т. – Иваново, 2007. – 233 л.

13. Иванов-Смоленский, А. В. Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета синхронных машин с постоянными магнитами на поверхности ротора / А. В. Иванов-Смоленский, М. А. Аванесов, Е. В. Казьмин // Электричество. – 2009. – № 8. – С. 42–51.

14. Scuiller, F. General modeling of the windings for multi-phase ac machines / F. Scuiller, E. Semail, J. F. Charpentier // Eur. Phys. J. Appl. Phys. – 2010. – Vol. 50, № 3. – Art. № 31102. https://doi.org/10.1051/epjap/2010058

15. Cheng, M. A general air-gap field modulation theory for electrical machines / M. Cheng, P. Han, W. Hua // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2017. – Vol. 64, № 8. – P. 6063–6074. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2682792

16. Zhu, Z. Q. Analysis of air-gap field modulation and magnetic gearing effect in fractional slot concentrated winding permanent magnet synchronous machines / Z. Q. Zhu, Y. Liu // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2018. – Vol. 65, № 5. – P. 3688– 3698. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2758747