Электромагнитный и тепловой анализ электрических машин из композитных материалов
Ключевые слова:
метод конечных элементов, композитные материалы, высокоскоростная электрическая машина, полностью композитная электрическая машина
Аннотация
Развитие электрических, тепловых и механических свойств композитных материалов открывает новые возможности для замены металлических узлов при создании электрических машин. Низкая плотность большинства из них по сравнению с традиционными материалами позволяет снизить удельную массу, а также повысить технологичность за счет минимальной механической обработки и возможности создания деталей готовой формы. Исследования по применению композитных материалов в отдельных узлах электрических машин демонстрируют минимизацию материалоемкости, повышения плотности энергии и энергоэффективности. Один из способов увеличения плотности энергии и энергоэффективности — создание высокооборотных электрических машин, позволяющих вырабатывать максимальную мощность при минимальном объеме активных и конструктивных материалов. Характеристики электрических машин определяются потерями, которые в свою очередь зависят от электромагнитных и тепловых свойств используемых материалов. С этой стороны композитные материалы выгодно отличаются от традиционных. Так, композитные материалы — это материалы, состоящие из пластичных основ армированных наполнителями. Сочетания разнородных материалов приводит к созданию нового материала, свойства которого могут значительно отличаться от свойств отдельных его составляющих. Представлены результаты сравнительного анализа для трех конструкций электрических машин с различным содержанием композитных материалов. Даны полные электромагнитные и тепловые расчеты методами конечных элементов, определены удельные характеристики и приведена оценка эффективности. Выявлено, что электрическая машина, полностью состоящая из композитных материалов, обладает на 73% меньшей массой по сравнению с электрической машиной, состоящей из традиционных материалов. Коэффициент полезного действия для полностью композитной электрической машины равен 92%, что подтверждает перспективность применения композитных материалов в узлах электрических машинах. Тепловой анализ подтверждает полную работоспособность полностью композитной электрической машины.
Литература
1. Hong D.K., Joo D.S., Woo B.C., Jeong Y.H., Koo D.H. Investigations on a Super High Speed Motor-Generator for Microturbine Application Using Amorphous Cores // IEEE Trans. Magn. 2013. V. 49. Pp. 4072—4075.
2. Liu Y., Ou J., Schiefer M., Breining P., Grilli F., Doppelbauer M. Application of an Amorphous Core to an Ultra-high-speed Sleeve-free Interior Permanent-magnet Rotor // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2018. V. 65. No. 11. Pp. 8498—8509.
3. Pfister PP. D., Perriard Y. Very-high-speed Slotless Permanent-magnet Motors: Analytical Modeling, Optimization, Design, and Torque Measurement Methods // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2010. V. 57. No. 1. Pp. 296—303.
4. Gerada D., Mebarki A., Brown N.L., Gerada C., Cavagnino A., Boglietti A. High-speed Electrical Machines: Technologies, Trends, and Developments // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2014. V. 61. No. 6. Pp. 2946—2959.
5. Liu C., Lee D.G. Design of the Hybrid Composite Journal Bearing Assembled by Interference Fit // Composite Structures. 2006. V. 75. Pp. 222—230.
6. Guo Y., Zhu J., Watterson P.A., Wu W. Comparative Study of 3-d Flux Electrical Machines with Soft Magnetic Composite Cores // IEEE Trans. Industry Appl. 2003. V. 39. No. 6. Pp. 1696—1703.
7. Xu Z. e. a. A Semi-flooded Cooling for a High Speed Machine: Concept, Design and Practice of an Oil Sleeve // Proc. IECON 2017 — 43rd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2017. Pp. 8557—8562.
8. Tuysuz A., Meyer F., Steichen M., Zwyssig C., Kolar J.W. Advanced Cooling Methods for High-speed Electrical Machines // IEEE Trans. Industry Appl. 2017. V. 53. No. 3. Pp. 2077—2087.
9. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J., Otto M. Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings // Intern. Rev. Electrical Eng. 2015. V. 10. No. 1. Pp. 12—21.
10. Domingo-Roca R., Jackson J.C., Windmill J.F.C. 3D-printing Polymer-based Permanent magnets // Mater. Des. 2018. V. 153. Pp. 120—128.
11. Kurth K. H., Drummer D. Improvement of the Magnetic Properties of Injection Molded Polymer Bonded Magnets // Proc. 3rd Intern. Electric Drives Production Conf. 2013. Pp. 1—5.
12. Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Саяхов И.Ф. К вопросу применения композитных материалов в электрических машинах (обзор) // Новое в российской электроэнергетике. 2018. № 9. C. 17—32.
13. Funck R. Composite Materials in High Efficient Sleeve Applications of Electric Machines. Circomp GmbH. [Электрон. ресурс] http://www.circomp.de/downloads/circomp-paper-sleeve-applications.pdf (дата обращения 04.12.2018).
14. Пресс-материал АГ-4В [Электрон. ресурс] http://www.stekloplastic.com/produktsiya/press-material-ag-4v (дата обращения 04.12.2018).
15. Schiefer M., Doppelbauer M. Indirect Slot Cooling for High Power Density Machines with Concentrated Winding // IEEE Intern. Electric Machines and Drives Conf. 2015. Pp. 1820—1825.
16. Tanimoto K., Kajihara K., Yanai K. Hybrid Ceramic Ball Bearings for Turbochargers. Presented at SAE 2000 World Congress [Электрон. ресурс] https://doi.org/10.4271/2000-01-1339 (дата обращения 04.12.2018).
17. Krings A., Boglietti A., Cavagnino A., Sprague S. Soft Magnetic Material Status and Trends in Electric Machines // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2017. V. 64. No. 3. Pp. 2405—2414.
18. Lekawa-Raus A., Patmore J., Kurzepa L., Bulmer J., Koziol K. Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring // Advanced Functional Materials. 2014. V. 24. No. 24. Pp. 3661—3682.
19. Magnets. Magnequench [Электрон. ресурс] https://mqitechnology.com/products/magnets (дата обращения 04.12.2018).
20. Kolpakhchyan P.P. G., Lobov B.N., Mikitinskiy A.P., Rusakevich I.V. The Production Possibility of Permanent Magnet High Speed Electric Generator Rotors // Proc. 10th Intern. Conf. Electrical Power Drive Syst. 2018. Pp. 46—50.
21. Andonian A.T., Huynh C. Rotor Retention and Loss-reduction for High-speed Permanent Magnet Motor Generators. Presented at Motor and Drive Systems Conference [Электрон. ресурс] https://motoranddriveconference.com/2017/08/rotor-retention-and-loss-reduction-for-high-speed-permanent-magnet-motor-generators/ (Дата обращения 04.12.2018).
---
Для цитирования: Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Саяхов И.Ф., Ематин Е.А. Электромагнитный и тепловой анализ электрических машин из композитных материалов // Вестник МЭИ. 2020. № 2. С. 52—61. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-2-52-61.
#
1. Hong D.K., Joo D.S., Woo B.C., Jeong Y.H., Koo D.H. Investigations on a Super High Speed Motor-Generator for Microturbine Application Using Amorphous Cores. IEEE Trans. Magn. 2013;49:4072—4075.
2. Liu Y., Ou J., Schiefer M., Breining P., Grilli F., Doppelbauer M. Application of an Amorphous Core to an Ultra-high-speed Sleeve-free Interior Permanent-magnet Rotor. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2018; 65;11:8498—8509.
3. Pfister PP. D., Perriard Y. Very-high-speed Slotless Permanent-magnet Motors: Analytical Modeling, Optimization, Design, and Torque Measurement Methods. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2010;57;1:296—303.
4. Gerada D., Mebarki A., Brown N.L., Gerada C., Cavagnino A., Boglietti A. High-speed Electrical Machines: Technologies, Trends, and Developments.IEEE Trans. Industrial Electronics. 2014;61;6: 2946—2959.
5. Liu C., Lee D.G. Design of the Hybrid Composite Journal Bearing Assembled by Interference Fit. Composite Structures. 2006;75:222—230.
6. Guo Y., Zhu J., Watterson P.A., Wu W. Comparative Study of 3-d Flux Electrical Machines with Soft Magnetic Composite Cores. IEEE Trans. Industry Appl. 2003;39;6:1696—1703.
7. Xu Z. e. a. A Semi-flooded Cooling for a High Speed Machine: Concept, Design and Practice of an Oil Sleeve. Proc. IECON 2017 — 43rd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2017:8557—8562.
8. Tuysuz A., Meyer F., Steichen M., Zwyssig C., Kolar J.W. Advanced Cooling Methods for High-speed Electrical Machines. IEEE Trans. Industry Appl. 2017; 53;3:2077—2087.
9. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J., Otto M. Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings. Intern. Rev. Electrical Eng. 2015;10;1:12—21.
10. Domingo-Roca R., Jackson J.C., Windmill J.F.C. 3D-printing Polymer-based Permanent magnets. Mater. Des. 2018;153:120—128.
11. Kurth K. H., Drummer D. Improvement of the Magnetic Properties of Injection Molded Polymer Bonded Magnets. Proc. 3rd Intern. Electric Drives Production Conf. 2013:1—5.
12. Ismagilov F.R., Vavilov V.E., Sayakhov I.F. K Voprosu Primeneniya Kompozitnykh Materialov v Elektricheskikh Mashinakh (Obzor). Novoe v Rossiyskoy Elektroenergetike. 2018;9:17—32. (in Russian).
13. Funck R. Composite Materials in High Efficient Sleeve Applications of Electric Machines. Circomp GmbH. [Elektron. Resurs] http://www.circomp.de/downloads/circomp-paper-sleeve-applications.pdf (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
14. Press-material AG-4V [Elektron. Resurs] http:// www.stekloplastic.com/produktsiya/press-material-ag-4v (Data Obrashcheniya 04.12.2018). (in Russian).
15. Schiefer M., Doppelbauer M. Indirect Slot Cooling for High Power Density Machines with Concentrated Winding. IEEE Intern. Electric Machines and Drives Conf. 2015:1820—1825.
16. Tanimoto K., Kajihara K., Yanai K. Hybrid Ceramic Ball Bearings for Turbochargers. Presented at SAE 2000 World Congress [Elektron. Resurs] https://doi. org/10.4271/2000-01-1339 (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
17. Krings A., Boglietti A., Cavagnino A., Sprague S. Soft Magnetic Material Status and Trends in Electric Machines. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2017;64;3: 2405—2414.
18. Lekawa-Raus A., Patmore J., Kurzepa L., Bulmer J., Koziol K. Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring. Advanced Functional Materials. 2014;24;24:3661—3682.
19. Magnets. Magnequench [Elektron. Resurs] https:// mqitechnology.com/products/magnets (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
20. Kolpakhchyan P.P. G., Lobov B.N., Mikitinskiy A.P., Rusakevich I.V. The Production Possibility of Permanent Magnet High Speed Electric Generator Rotors. Proc. 10th Intern. Conf. Electrical Power Drive Syst. 2018:46—50.
21. Andonian A.T., Huynh C. Rotor Retention and Loss-reduction for High-speed Permanent Magnet Motor Generators. Presented at Motor and Drive Systems Conference [Elektron. Resurs] https://motor-anddriveconference.com/2017/08/rotor-retention-and-loss-reduction-for-high-speed-permanent-magnet-motor-generators/ (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
---
For citation: Ismagilov F.R., Vavilov V.E., Sayakhov I.F., Ematin E.A. Electromagnetic and Thermal Analysis of Electrical Machines Made of Composite Materials. Bulletin of MPEI. 2020;2:52—61. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-2-52-61.
2. Liu Y., Ou J., Schiefer M., Breining P., Grilli F., Doppelbauer M. Application of an Amorphous Core to an Ultra-high-speed Sleeve-free Interior Permanent-magnet Rotor // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2018. V. 65. No. 11. Pp. 8498—8509.
3. Pfister PP. D., Perriard Y. Very-high-speed Slotless Permanent-magnet Motors: Analytical Modeling, Optimization, Design, and Torque Measurement Methods // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2010. V. 57. No. 1. Pp. 296—303.
4. Gerada D., Mebarki A., Brown N.L., Gerada C., Cavagnino A., Boglietti A. High-speed Electrical Machines: Technologies, Trends, and Developments // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2014. V. 61. No. 6. Pp. 2946—2959.
5. Liu C., Lee D.G. Design of the Hybrid Composite Journal Bearing Assembled by Interference Fit // Composite Structures. 2006. V. 75. Pp. 222—230.
6. Guo Y., Zhu J., Watterson P.A., Wu W. Comparative Study of 3-d Flux Electrical Machines with Soft Magnetic Composite Cores // IEEE Trans. Industry Appl. 2003. V. 39. No. 6. Pp. 1696—1703.
7. Xu Z. e. a. A Semi-flooded Cooling for a High Speed Machine: Concept, Design and Practice of an Oil Sleeve // Proc. IECON 2017 — 43rd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2017. Pp. 8557—8562.
8. Tuysuz A., Meyer F., Steichen M., Zwyssig C., Kolar J.W. Advanced Cooling Methods for High-speed Electrical Machines // IEEE Trans. Industry Appl. 2017. V. 53. No. 3. Pp. 2077—2087.
9. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J., Otto M. Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings // Intern. Rev. Electrical Eng. 2015. V. 10. No. 1. Pp. 12—21.
10. Domingo-Roca R., Jackson J.C., Windmill J.F.C. 3D-printing Polymer-based Permanent magnets // Mater. Des. 2018. V. 153. Pp. 120—128.
11. Kurth K. H., Drummer D. Improvement of the Magnetic Properties of Injection Molded Polymer Bonded Magnets // Proc. 3rd Intern. Electric Drives Production Conf. 2013. Pp. 1—5.
12. Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Саяхов И.Ф. К вопросу применения композитных материалов в электрических машинах (обзор) // Новое в российской электроэнергетике. 2018. № 9. C. 17—32.
13. Funck R. Composite Materials in High Efficient Sleeve Applications of Electric Machines. Circomp GmbH. [Электрон. ресурс] http://www.circomp.de/downloads/circomp-paper-sleeve-applications.pdf (дата обращения 04.12.2018).
14. Пресс-материал АГ-4В [Электрон. ресурс] http://www.stekloplastic.com/produktsiya/press-material-ag-4v (дата обращения 04.12.2018).
15. Schiefer M., Doppelbauer M. Indirect Slot Cooling for High Power Density Machines with Concentrated Winding // IEEE Intern. Electric Machines and Drives Conf. 2015. Pp. 1820—1825.
16. Tanimoto K., Kajihara K., Yanai K. Hybrid Ceramic Ball Bearings for Turbochargers. Presented at SAE 2000 World Congress [Электрон. ресурс] https://doi.org/10.4271/2000-01-1339 (дата обращения 04.12.2018).
17. Krings A., Boglietti A., Cavagnino A., Sprague S. Soft Magnetic Material Status and Trends in Electric Machines // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2017. V. 64. No. 3. Pp. 2405—2414.
18. Lekawa-Raus A., Patmore J., Kurzepa L., Bulmer J., Koziol K. Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring // Advanced Functional Materials. 2014. V. 24. No. 24. Pp. 3661—3682.
19. Magnets. Magnequench [Электрон. ресурс] https://mqitechnology.com/products/magnets (дата обращения 04.12.2018).
20. Kolpakhchyan P.P. G., Lobov B.N., Mikitinskiy A.P., Rusakevich I.V. The Production Possibility of Permanent Magnet High Speed Electric Generator Rotors // Proc. 10th Intern. Conf. Electrical Power Drive Syst. 2018. Pp. 46—50.
21. Andonian A.T., Huynh C. Rotor Retention and Loss-reduction for High-speed Permanent Magnet Motor Generators. Presented at Motor and Drive Systems Conference [Электрон. ресурс] https://motoranddriveconference.com/2017/08/rotor-retention-and-loss-reduction-for-high-speed-permanent-magnet-motor-generators/ (Дата обращения 04.12.2018).
---
Для цитирования: Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Саяхов И.Ф., Ематин Е.А. Электромагнитный и тепловой анализ электрических машин из композитных материалов // Вестник МЭИ. 2020. № 2. С. 52—61. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-2-52-61.
#
1. Hong D.K., Joo D.S., Woo B.C., Jeong Y.H., Koo D.H. Investigations on a Super High Speed Motor-Generator for Microturbine Application Using Amorphous Cores. IEEE Trans. Magn. 2013;49:4072—4075.
2. Liu Y., Ou J., Schiefer M., Breining P., Grilli F., Doppelbauer M. Application of an Amorphous Core to an Ultra-high-speed Sleeve-free Interior Permanent-magnet Rotor. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2018; 65;11:8498—8509.
3. Pfister PP. D., Perriard Y. Very-high-speed Slotless Permanent-magnet Motors: Analytical Modeling, Optimization, Design, and Torque Measurement Methods. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2010;57;1:296—303.
4. Gerada D., Mebarki A., Brown N.L., Gerada C., Cavagnino A., Boglietti A. High-speed Electrical Machines: Technologies, Trends, and Developments.IEEE Trans. Industrial Electronics. 2014;61;6: 2946—2959.
5. Liu C., Lee D.G. Design of the Hybrid Composite Journal Bearing Assembled by Interference Fit. Composite Structures. 2006;75:222—230.
6. Guo Y., Zhu J., Watterson P.A., Wu W. Comparative Study of 3-d Flux Electrical Machines with Soft Magnetic Composite Cores. IEEE Trans. Industry Appl. 2003;39;6:1696—1703.
7. Xu Z. e. a. A Semi-flooded Cooling for a High Speed Machine: Concept, Design and Practice of an Oil Sleeve. Proc. IECON 2017 — 43rd Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2017:8557—8562.
8. Tuysuz A., Meyer F., Steichen M., Zwyssig C., Kolar J.W. Advanced Cooling Methods for High-speed Electrical Machines. IEEE Trans. Industry Appl. 2017; 53;3:2077—2087.
9. Pyrhönen J., Montonen J., Lindh P., Vauterin J., Otto M. Replacing Copper with New Carbon Nanomaterials in Electrical Machine Windings. Intern. Rev. Electrical Eng. 2015;10;1:12—21.
10. Domingo-Roca R., Jackson J.C., Windmill J.F.C. 3D-printing Polymer-based Permanent magnets. Mater. Des. 2018;153:120—128.
11. Kurth K. H., Drummer D. Improvement of the Magnetic Properties of Injection Molded Polymer Bonded Magnets. Proc. 3rd Intern. Electric Drives Production Conf. 2013:1—5.
12. Ismagilov F.R., Vavilov V.E., Sayakhov I.F. K Voprosu Primeneniya Kompozitnykh Materialov v Elektricheskikh Mashinakh (Obzor). Novoe v Rossiyskoy Elektroenergetike. 2018;9:17—32. (in Russian).
13. Funck R. Composite Materials in High Efficient Sleeve Applications of Electric Machines. Circomp GmbH. [Elektron. Resurs] http://www.circomp.de/downloads/circomp-paper-sleeve-applications.pdf (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
14. Press-material AG-4V [Elektron. Resurs] http:// www.stekloplastic.com/produktsiya/press-material-ag-4v (Data Obrashcheniya 04.12.2018). (in Russian).
15. Schiefer M., Doppelbauer M. Indirect Slot Cooling for High Power Density Machines with Concentrated Winding. IEEE Intern. Electric Machines and Drives Conf. 2015:1820—1825.
16. Tanimoto K., Kajihara K., Yanai K. Hybrid Ceramic Ball Bearings for Turbochargers. Presented at SAE 2000 World Congress [Elektron. Resurs] https://doi. org/10.4271/2000-01-1339 (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
17. Krings A., Boglietti A., Cavagnino A., Sprague S. Soft Magnetic Material Status and Trends in Electric Machines. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2017;64;3: 2405—2414.
18. Lekawa-Raus A., Patmore J., Kurzepa L., Bulmer J., Koziol K. Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring. Advanced Functional Materials. 2014;24;24:3661—3682.
19. Magnets. Magnequench [Elektron. Resurs] https:// mqitechnology.com/products/magnets (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
20. Kolpakhchyan P.P. G., Lobov B.N., Mikitinskiy A.P., Rusakevich I.V. The Production Possibility of Permanent Magnet High Speed Electric Generator Rotors. Proc. 10th Intern. Conf. Electrical Power Drive Syst. 2018:46—50.
21. Andonian A.T., Huynh C. Rotor Retention and Loss-reduction for High-speed Permanent Magnet Motor Generators. Presented at Motor and Drive Systems Conference [Elektron. Resurs] https://motor-anddriveconference.com/2017/08/rotor-retention-and-loss-reduction-for-high-speed-permanent-magnet-motor-generators/ (Data Obrashcheniya 04.12.2018).
---
For citation: Ismagilov F.R., Vavilov V.E., Sayakhov I.F., Ematin E.A. Electromagnetic and Thermal Analysis of Electrical Machines Made of Composite Materials. Bulletin of MPEI. 2020;2:52—61. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-2-52-61.
Опубликован
2019-07-03
Выпуск
Раздел
Электромеханика и электрические аппараты (05.09.01)
