- Використання електродвигунів з постійними магнітами в високотехнологічних пристроях.
- Моделювання втрат на вихрові струми в двигуні з постійними магнітами з допомогою COMSOL Multiphysics®.
- Аналіз результатів моделювання.
- Схожі статті
Наша сеть партнеров Banwar
Двигуни з постійними магнітами використовуються в різних високотехнологічних пристроях, але вони мають деякі конструктивні обмеження. Одним з таких прикладів є чутливість до високих температур, які можуть бути викликані виділенням тепла від протікають струмів, і зокрема, вихрових струмів. Версія 5.3 програмного забезпечення COMSOL® включає в себе функцію обліку втрат на вихрові струми в постійних магнітах таких двигунів. Інженери можуть використовувати ці результати, щоб в повній мірі вивчити характеристики двигунів з постійними магнітами і визначити способи оптимізації їх продуктивності.
Використання електродвигунів з постійними магнітами в високотехнологічних пристроях.
Економія енергії - загальна мета, до якої прагнуть всі виробники по всьому світу. Наприклад, розглянемо транспортний сектор. Тільки в минулому році в Китаї представили нову високошвидкісну систему метрополітену , Яка забезпечує значну економію енергії. Тим часом, у найстарішого діючого порома в Фінляндії замінили оригінальні дизельні двигуни на нові електричні. А на вулицях Лондона відомий автомобільний бренд класу "Люкс" вперше представив повністю електричний автомобіль .
Ці приклади демонструють розвиток транспорту в бік більш екологічного майбутнього. Також зазначені приклади об'єднує той факт, що для цієї мети, вони використовують двигуни з постійними магнітами (ПМ). Такі типи двигунів з магнітами замість обмоток в роторі, як правило, знаходять застосування в високотехнологічних пристроях. Найбільш важливим є їх використання в електричних і гібридних транспортних засобах.
Електротранспорт - одне із застосувань двигунів з постійними магнітами. Зображення, надане Mariodo. Доступно за ліцензією Creative Commons 2.0 з Wikimedia Commons .
Двигуни з ПМ високо цінуються за рахунок їх економічності, але поряд з тим існують деякі обмеження при їх проектуванні. Наприклад, постійні магніти дуже чутливі до високих температур. Такі температури можуть досягатися, коли струми, зокрема, вихрові струми, при протіканні викликають виділення тепла. Хоча ламінування сталевих / залізних секцій ротора допомагає зменшити втрати на вихрові струми в цих областях, виробничі обмеження роблять цей процес складним. Таким чином, нагрів постійних магнітів може бути досить істотним.
Давайте розглянемо нову навчальну модель, доступну в версії 5.3 COMSOL Multiphysics®, яка враховує втрати на вихрові струми в двигунах з ПМ
Моделювання втрат на вихрові струми в двигуні з постійними магнітами з допомогою COMSOL Multiphysics®.
Почнемо з геометрії нашої моделі. У цьому прикладі ми використовуємо тривимірну модель 18-ти полюсного двигуна з ПМ. Для одночасного скорочення обчислювальних витрат і обліку всієї тривимірної геометрії моделі, ми будемо моделювати один полюс, використовуючи подовжню і дзеркальну симетрії.
Ви можете бачити анімацію роботи всього двигуна нижче. На ній зображені ротор і залізний статор (сірим кольором), обмотка статора (з міді) і постійні магніти (сині і червоні в залежності від радіальної намагніченості).
Конструкція двигуна з постійними магнітами.
Для моделювання провідної частини ротора ми використовуємо вузол Ampère's law (закон Ампера). Для непроводящих частин ротора і статора ми використовуємо вузол Magnetic flux conservation (Закон збереження магнітної індукції) щодо скалярного магнітного потенціалу.
Використовуючи вбудований фізичний інтерфейс Rotating Machinery (Магнітні обертові механізми), легко змоделювати обертання двигуна. У моделі ми розглядаємо центральний верхній полюс, в якому розташовуються ротор разом з ділянкою повітряного зазору, що обертаються відносно системи координат статора. Зверніть увагу, що в даному випадку потрібно формування збірки (Assembly) при завершенні побудови геометрії, оскільки ротор і статор є двома окремими частинами конструкції.
Щоб обчислити і далі використовувати значення втрат на вихрові струми в магнітах з плином часу, ми введемо додаткову змінну. Хоча в рамках даної моделі вона не буде потрібно, змінна може використовуватися в подальшому аналізі теплопередачі в якості усередненого за часом і розподіленого джерела тепла. Так як теплові процеси встановлюються набагато довше, ніж відбувається зміна напрямку вихрових струмів і викликаних ними втрат, необхідно розділяти електромеханічний і тепловий розрахунки для більшої ефективності розрахунку.
Аналіз результатів моделювання.
За результатами моделювання на першому малюнку ми можемо бачити розподіл магнітної індукції в двигуні в нерухомому стаціонарному стані, іншими словами, на графіку показані початкові умови для нестаціонарного дослідження. Струм котушки в початковому стані дорівнює нулю. На малюнку праворуч показано розподіл магнітної індукції після того, як двигун повернувся на один сектор. Для кращої наочності можна виключити на малюнку області повітря і котушок.
Зліва: Розподіл магнітної індукції в стаціонарному початковому стані. Справа: Розподіл магнітної індукції в двигуні після повороту на один сектор.
На наведеному нижче графіку ми можемо бачити, як з плином часу відбувається зміна втрат на вихрові струми в магнітах. Анімація справа показує зміну втрат на вихрові струми при повороті статора на один сектор. Вихрові струми зображені стрілками.
Зліва: Графік втрат на вихрові струми в залежності від часу. Справа: Зміна щільності втрат на вихрові струми при повороті на один сектор.
Вищенаведені приклади дають більш повне уявлення про характеристики двигунів з ПМ c урахуванням втрат на вихрові струми в постійних магнітах. Ця інформація буде корисною для поліпшення конструкції двигунів з ПМ і, отже, технології, в якій вони використовуються.
Схожі статті
- Цікаво дізнатися про додаткові оновлення модуля AC / DC в COMSOL® версії 5.3? Перейдіть на сторінку Огляд релізу COMSOL 5.3
- Подивіться, які інші типи двигунів ви можете змоделювати в COMSOL Multiphysics: