Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Саяхов И.Ф. Обзор конструкций дисковых электромеханических преобразователей энергии для различных областей применения

скачать PDF

Аннотация

Дисковые электромеханические преобразователи энергии находят широкое применение в электрических транспортных средствах, насосах, центрифугах, подъемниках и робототехнике. Они широко используются в низкоскоростных и высокоскоростных системах. Применение дисковых электромеханических преобразователей энергии в качестве генераторов оправдано в ветроэнергетических установках, микротурбинах, портативных генераторных установках, буровых установках, приводах лифтов и электромобилях. Диапазон мощности дисковых электромеханических преобразователей энергии в настоящее время варьируется от долей ватт до нескольких мегаватт.

В статье приведен анализ научно-технической литературы по дисковым электрическим машинам. Дан сравнительный анализ характеристик дисковых и цилиндрических преобразователей энергии, в результате которого выявлено, что дисковые машины с аксиальным магнитным потоком наиболее подходят для применения в качестве сервоприводов и генераторов, где их свойства обладают преимуществами по сравнению с цилиндрическими машинами. При этом дисковые электрические машины, в отличие от электрических машин с цилиндрическим ротором, при одинаковых массогабаритных показателях обладают минимальными аксиальными размерами, что позволяет интегрировать их в различные элементы существующих систем, то есть в ряде случаев дисковая конструкция обладает более высокой эргономичностью.

Рассмотрены основные конструктивные схемы дисковых машин, такие как односторонние и двухсторонние, пазовые и беспазовые, с магнитопроводами и без, с внутренними или внешними роторами, с поверхностными или внутренними постоянными магнитами, как одиночные или модульные машины, представлены их основные достоинства и недостатки. Приведено описание конструкционных узлов дисковых машин, применяемых в различных областях, а также примеры их коммерческой реализации. Приведено обоснование выбора материалов, применяемых дисковых электрических машинах.

Ключевые слова

Дисковая электрическая машина, аксиальный магнитный поток, постоянные магниты, обзор конструкций.

Исмагилов Флюр Рашитович – д-р техн. наук, проф., зав. каф. электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Россия. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2525-9815

Вавилов Вячеслав Евгеньевич – канд. техн. наук, доц. каф. электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Россия. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5695-6974

Саяхов Ильдус Финатович – инженер, каф. электромеханики, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8545-9862

1. Campbell P. The magnetic circuit of an axial flux DC electrical machine, IEEE Trans. MAG-11(5): pp. 1541-1543. 1975.

2. Chan C.C. Axial-field electrical machines: design and application, IEEE Trans. EC-2(2): pp. 294-300. 1987.

3. Gieras J.F., Wing M. Permanent magnet motor technology: design and applications. 2nd ed., Marcel Dekker, New York. 2002. 661 p.

4. Leung W.S., Chan C.C. A new design approach for axial-field electrical machine, IEEE Trans. PAS-99(4): pp. 1679-1685. 1980.

5. Miti G.K., Renfrew A.C. Field weakening performance of the TORUS motor with rectangular current excitation, Int. Conf. on Electr. MachinesICEM’98, Istanbul, Vol. 1, pp. 630-633. 1998.

6. Campbell P. Principle of a PM axial field DC machine, Proceedings of IEE, vol. 121, no. 1, pp. 1489-1494. 1974.

7. Chan C.C. Axial-field electrical machines with yokeless armature core. PhD Thesis, University of Hong Kong. 1982.

8. Amaratunga G.A.J., Acarnley P.P., McLaren P.G. Optimum magnetic circuit configurations for PM aerospace generators, IEEE Trans on AES, Vol. 21(2): pp. 230-255. 1985.

9. Huang S., Luo J., Leonardi F., Lipo T.A. A comparison of power density for axial flux machines based on general purpose sizing equations, IEEE Trans. EC-14(2): pp. 185-192. 1999.

10. Zhang Z., Profumo F., Tonconi A. Axial flux versus radial flux permanent magnet motors, Electromotion, vol. 3, pp. 134-140. 1996.

11. Sitapati K., Krishnan R. Performance comparisons of radial and axial field permanent magnet brushless machines, IEEE Trans. IA-37(5): pp. 1219-1226. 2001.

12. Gieras J.F., Gieras I.A. Performance analysis of a coreless permanent magnet brushless motor, IEEE 37th IAS Meeting, Pittsburgh, PA, U.S.A. 2002.

13. Caricchi F., Crescimbini F., Fedeli E., Noia G. Design and construction of a wheel-directly-coupled axial-flux PM motor prototype for EVs, IEEE-IAS Annual Meeting, IAS-29, part 1, pp. 254-261. 1994.

14. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / пер. с англ. под ред. З.Г. Каганова. М.: Энергия, 1981. 352 с.

15. Chalmers B.J., Hamed S.A., Baines G.D. Parameters and performance of a high-field permanent magnet synchronous motor for variable-frequency operation, Proc IEE Pt B 132(3): pp. 117-124. 1985.

16. Lukaniszyn M., Wrobel R., Mendrela A., Drzewoski R. Towards optimization of the disc-type brushless d.c. motor by changing the stator core structure, Int. Conf. on Electr. Machines ICEM’2000, vol. 3, Espoo, Finland, pp. 1357-1360. 2000.

17. Lukaniszyn M., Mendrela E., Jagiello M., Wrobel R. Integral parameters of a disc-type motor with axial stator flux, Zesz. Nauk.Polit. Slaskiej, Vol. 200, Elecktryka, No. 177, pp. 255-262. 2002.

18. Mendrela E., Lukaniszyn M., Macek-Kaminska K. Electronically commutated d.c. brushless disc motors (in Polish).Warsaw: Gnome. 2002.

19. Caricchi F., Crescimbini F., Fedeli E., Noia G. Design and construction of a wheel-directly-coupled axial-flux PM motor prototype for EVs, IEEE-IAS Annual Meeting, IAS-29, part 1, pp. 254-261. 1994.

20. Evans P.D., Easham J.F. Slot-less alternator with ac-side excitation, Proc. of IEE, Vol. 130, No. 6, pp. 399-406. 1983.

21. Hrabovcova V., Brslica V. Disk synchronous machines with permanent magnets – electric and thermal equivalent circuits, Electr. Drives Symp., Capri, Italy, pp. 163-169. 1990.

22. Klug L. Axial field a.c. servomotor, Electr. Drives and Power Electronics Symp. EDPE’90, Kosice, Slovakia, pp. 154-159. 1990.

23. Klug L., Guba R. Disc rotor a.c. servo motor drive, Electr. Drives and Power Electronics Symp. EDPE’92, Kosice, Slovakia, pp. 341-344. 1992.

24. Gair S., Eastham J.F., Profumo F. Permanent magnet brushless d.c. drives for electric vehicles, Int. Aeagean Conf. on Electr. Machines and Power Electronics ACEMP’95, Turkey, pp. 638-643. 1995.

25. Spooner E., Chalmers B., El-Missiry M.M. A compact brushless d.c. machine, Electr. Drives Symp. EDS’90, Capri, Italy, pp. 239-243. 1990.

26. Zhang Z., Profumo F., Tenconi A. Axial flux interior PM synchronous motors for electric vehicle drives, Symp. on Power Electronics, Electr. Drives, Advanced Electr. Motors SPEEDAM’94, Taormina, Italy, pp. 323-328. 1994.

27. Wang R., Kamper M.J. Evaluation of eddy current losses in axial flux permanent magnet (AFPM) machine with an ironless stator, IEEE 37th IAS Meeting, Pittsburgh, PA, U.S.A. 2002.

28. Афонин А.А. Дисковые электрические машины с вращающимися векторами намагниченности постоянных магнитов // Доп. НАН України, 2004. №2. С. 94-101.

29. Афонин А.А., Гребеников В.В. Структура электрических машин дискового типа // Праці ІЕД НАНУ. 2002. №1. С. 56-70.

30. Ahmed A.B., de Cachan L.E. Comparison of two multidisc configurations of PM synchronous machines using an elementary approach, Int. Conf. on Electr. Machines ICEM’94, Vol. 1, Paris, France, pp. 175-180. 1994.

31. Chillet C., Brissonneau P., Yonnet J.P. Development of a water cooled permanent magnet synchronous machine. Int. Conf. on Synchronous Machines SM100, Vol. 3, Zürich, Switzerland, pp. 1094-1097. 1991.

32. Eastham, J.F., Profumo, F., Tenconi, A., Hill-Cottingham R., Coles, P., Gianolio, G. Novel axial flux machine for aircraft drive: design and modeling, IEEE Trans. MAG-38(5): pp. 3003-3005. 2002.

33. El-Hasan T.S., Luk, P.C.K., Bhinder, F.S., Ebaid M.S. Modular design of high-speed permanent-magnet axial-flux generators. IEEE Trans. MAG-36(5): pp. 3558-3561. 2000.

34. ULEV-TAP URL: http://www.ulev-tap.org

35. Acarnley P.P., Mecrow B.C., Burdess J.S., Fawcett J.N., Kelly J.G., Dickinson P.G. Design principles for a flywheel energy store for road vehicles, IEEE Trans. IA-32(6): pp. 1402-1408. 1996.

36. Patterson D., Spee R. The design and development of an axial flux permanent magnet brushless d.c. motor for wheel drive in a solar powered vehicle, IEEE Trans. IA-31(5): pp. 1054-1061. 1995.

37. Ramsden V.S., Mecrow B.C., Lovatt H.C. Design of an in wheel motor for a solar-powered electric vehicle, Proc. of EMD’97, pp. 192-197. 1997.

38. Cascio A.M. Modeling, analysis and testing of orthotropic stator structures, Naval Symp. on Electr. Machines, Newport, RI, USA, pp. 91-99. 1997.

39. Coilgun research spawns mighty motors and more. Machine Design 9: pp. 24-25, 1993.

40. Mongeau P. High torque/high power density permanent magnet motors, Naval Symp. on Electr. Machines, Newport, RI, USA, pp. 9-16. 1997.

41. Caricchi F., CrescembiniF., Santini E. Basic principle and design criteria of axial-flux PM machines having counter rotating rotors, IEEE Trans. IA-31(5): pp. 1062-1068. 1995.

42. Top drives URL:http://www.tescocorp.com/ProductSales/ TopDrives/default.aspx

43. Hakala H. Integration of motor and hoisting machine changes the elevator business, Int. Conf. on Electr. Machines ICEM’2000, Vol. 3, Finland, pp. 1242-1245. 2000.

44. Kleen S., Ehrfeld W., Michel F., Nienhaus M., Stolting H.D. Penny-motor: A family of novel ultraflat electromagnetic micromotors, Int. Conf. Actuator’2000, Bremen, Germany, pp. 193-196. 2000.

45. Jang G.H., Chang J.H. Development of an axial-gap spindle motor for computer hard disk drives using PCB winding and dual air gaps, IEEE Trans. MAG-38(5): pp. 3297-3299. 2002.

46. Mavilor's motors are specially suited for high response servo drives. URL: http://www.mavilor.es

47. GenSmart, High-efficiency, high power density, variable speed electric motors, generators and drive systems. URL: http://www.lightengineering.com

48. e-TORQ Motors URL: http://www.bodine-electric.com/etorq/

49. Kessinger R.L. Introduction to SEMA motor technology. Kinetic Art and Technology, Greenville, IN, U.S.A. 2002.

50. Electric machines for propulsion URL: http://www.launchpnt.com

51. Kessinger R.L., Robinson S. SEMA-based permanent magnet motors for high-torque, high-performance, Naval Symp. on Electr. Machines, U.S.A., pp. 151-155. 1997.

52. Kessinger R.L., Stahura P.A., Receveur P.E., Dockstader K.D. Interlocking segmented coil array. U.S. Patent No. 5, 744, 896. 1998.

53. El-Hasan T., Luk P.C.K. Magnet topology optimization to reduce harmonics in high speed axial flux generators, IEEE Trans. MAG-39(5): pp. 3340-3342. 2003.

54. Halbach K. Design of permanent multipole magnets with oriented rare-earth cobalt material, Nuclear Instruments and Methods, Vol. 169, pp. 1-10. 1980.

55. Halbach K. Physical and optical properties of rare earth cobalt magnets, Nuclear Instruments and Methods, Vol. 187, pp. 109-117. 1981.

56. Halbach K. Application of permanent magnets in accelerators and electron storage rings, J. Appl. Physics, Vol. 57, pp. 3605-3608. 1985.

57. Sadeghirad M. Designing a coreless high-speed axial flux PM generator for microturbines // Journal of computer & robotics №1, pp. 63-67. 2011.

Подробности
Просмотров: 1731