Дослідження впливу кількості полюсів на зовнішню характеристику безколекторної машини постійного струму в генераторному режимі

Abstract

У статті наведено результати дослідження генераторного режиму роботи безколекторної машини постійного струму (БМПС) при роботі на активне навантаження. Для аналізу створено дві моделі з кількістю постійних магнітів на роторі, що відрізняється вдвічі. Актуальність дослідження обумовлена широким спектром застосування БМПС в різних галузях. Однією з ключових переваг БМПС є відсутність щітково-колекторного вузла, який замінений контролером з напівпровідниковими елементами. Це дозволяє підвищити надійність роботи БМПС та розширити можливості режимів роботи. Основною метою цього дослідження є визначення впливу кількості постійних магнітів на зовнішню характеристику БМПС в генераторному режимі. Для досягнення цієї мети було проведено комп'ютерне моделювання з використанням програмного забезпечення ANSYS Maxwell. Це програмне забезпечення спрямоване для дослідження та розрахунку картини магнітного поля методом скінчених елементів в електромеханічних пристроях, що дозволяє отримати точні результати для аналізу. Для кожної з моделей БМПС визначено ступінь насичення елементів магнітної системи та отримано графіки залежності напруги, струму та гальмівного моменту на валу генератора від часу. Аналіз результатів розрахунку моделей БМПС з кількістю постійних магнітів 46 шт. та 92 шт. продемонстрував вплив на форму графіків напруги і струму, що призводить до деякого невеликого спотворення їх форми. Отримані результати розрахунків дозволили визначити ККД та побудувати зовнішню характеристику для обох моделей БМПС. Більший ККД було отримано для моделі БМПС з 92 постійними магнітами на роторі. Зовнішня характеристика для генераторного режиму роботу БМПС продемонструвала зміну значення напруги при переході від неробочого ходу до режиму роботи з номінальним струмом в межах 15 % та 21 %, що свідчить про жорсткість характеристики. Висновки роботи вказують на можливості покращення ефективності БМПС за рахунок оптимізації конструкції магнітної системи та умов охолодження, а також можуть бути корисними для інженерів і розробників електромеханічних систем, які прагнуть покращити характеристики своїх продуктів.The article presents the results of a study on the generator mode of operation of a brushless DC machine (BLDC) when operating under active load. For analysis, two models were created with the number of permanent magnets on the rotor differing by a factor of two. The relevance of the research is due to the wide range of applications of BLDC in various fields. One of the key advantages of BLDC is the absence of a brush-commutator unit, which is replaced by a controller with semiconductor elements. This increases the reliability of BLDC and expands the range of operating modes. The main objective of this study is to determine the impact of the number of permanent magnets on the external characteristic of BLDC in generator mode. To achieve this goal, computer modeling was performed using ANSYS Maxwell software. This software is designed to study and calculate the magnetic field pattern using the finite element method in electromechanical devices, providing accurate results for analysis. For each BLDC model, the degree of saturation of the magnetic system elements was determined, and graphs of voltage, current, and braking torque at the generator shaft over time were obtained. Analysis of the calculation results for BLDC models with 46 and 92 permanent magnets demonstrated an impact on the voltage and current waveforms, leading to some slight distortion of their shape. The obtained calculation results allowed determining the efficiency and constructing the external characteristic for both BLDC models. Higher efficiency was obtained for the BLDC model with 92 permanent magnets on the rotor. The external characteristic for the generator mode of BLDC operation demonstrated a change in voltage when transitioning from idle to nominal current operation within the range of 15% and 21%, indicating the stiffness of the characteristic. The conclusions of the study indicate the potential for improving the efficiency of BLDC through optimization of the magnetic system design and cooling conditions, and can be useful for engineers and developers of electromechanical systems aiming to improve the performance of their products.