Основная проблема всех классических синхронных электрических машин (электродвигателей и электрогенераторов) с независимым возбуждением – это паразитный эффект полюсного «залипания» ротора, когда вал вращается затруднённо и рывками. Наличие данного эффекта снижает эффективность электрической машины и приводит к дополнительному увеличению шума и вибрации при работе. Для частичного снижения этого нежелательного эффекта многие разработчики обычно изменяют количество полюсов ротора относительно полюсов статора или делают скошенными зубья ротора. И в том и в другом случае частичное снижение эффекта полюсного «залипания» достигается ценой пропорционального ухудшения выходной мощности электрической машины.
Технология вложенных катушек CCSC
Технология вложенных катушек CCSC создавалась и патентовалась разработчиками проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» в 2008-20012 г.г. для одновременного решения двух, казалось бы, несовместимых задач: устранения эффекта «магнитного залипания» ротора и увеличения выходной мощности синхронных электрических машин с независимым возбуждением.
CCSC – Coreless Crossed Saddle Coils
Для этого нам пришлось полностью отказаться от использования железного якоря в статоре, что дополнительно позволило существенно увеличить номинальный КПД электрической машины: с 93-95% до 98-99%! Дело в том, что при использовании железного якоря неизбежно появляются тепловые потери из-за затрат энергии на перемагничивание железа. С другой стороны, полный отказ от железа в статоре существенно снижает силовые характеристики силовых машин. Как же быть?
К счастью, в результате применения инновационной технологии укладки седловидных катушек CCSC команде «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» удалось добиться не только эффекта так называемого «гладкого статора», когда ротор электрической машины вращается абсолютно легко и без рывков, но и увеличить выходную мощность примерно в 2 раза по сравнению с классической раскладкой катушек статора. Такое значительное увеличение силовых характеристик достигается за счёт максимально возможного заполнения рабочего зазора медными проводниками!
Классическая раскладка для катушек статора
Инновационная раскладка CCSC для катушек статора
Дополнительная раскладка для 3-фазной версии CCSC-3
Инновационная раскладка катушек CCSC позволяет легко создавать как двухфазные, так и многофазные синхронные электрические машины. (электродвигатели и электрогенераторы).
Для 3-фазных электрических машин мы разработали дополнительный вариант раскладки катушек CCSC-3, который позволяет несколько упростить процесс сборки статора.
Технологии CCSC были нами успешно запатентованы в РФ, ЕС, США и КНР.
Композитные технологии для статоров CCSC
Композитный статор CCSC для серий Для изготовления статоров CCSC мы успешно разработали и применили новые технологии серийного производства на основе современных композитов и специальных теплопроводных компаундов. В результате, наши композитные статоры CCSC гарантируют высокую прочность и защиту обмоток от межвитковых замыканий, а также всех видов внешних воздействий, включая механические и атмосферные.
Мы постоянно совершенствуем технологи серийного производства CCSC. При этом, начиная с 2023 года, мы обеспечиваем 100% импортозамещение материалов и комплектующих, используемых при изготовлении статоров CCSC на территории РФ!
Методы фокусировки магнитного поля в рабочем зазоре
Самое известное решение задачи фокусировки магнитного поля было предложено ещё в 80-х годах XX века учёным-физиком Клаусом Халбахом. Для фокусировки магнитного поля в рабочем зазоре ускорителя элементарных частиц он придумал магнитную сборку из одинаковых по размеру магнитов, в которой вектор намагниченности соседних магнитов повёрнут не на 180о, как в классических магнитных системах, а на 90о.
С тех пор такие магнитные системы называют «магнитными сборками Халбаха». При этом, вместо «Халбаха» иногда встречается версия написание «Хальбах».
«Псевдо-Халбах» — упрощённый вариант магнитной сборки Халбаха
По сравнению с обычной, магнитная сборка Халбаха обеспечивает существенное увеличение магнитной индукции в рабочем зазоре благодаря фокусировке магнитного поля с одной стороны магнитной сборки. При этом, с противоположной стороны сборки магнитное поле становится гораздо слабее.
Несмотря на то, что сборка Халбаха изначально разрабатывалась для ускорителей элементарных частиц, она оказалась очень эффективной для применения в синхронных электрических машинах на постоянных магнитах. Дело в том, что увеличение индукции магнитного поля в рабочем зазоре электрических машин обеспечивает квадратичное увеличение выходной мощности!
MFF — “Magnetic Field Focusing”
Наряду с очевидными преимуществами, магнитная сборка Халбаха имеет несколько существенных недостатков: необходимость использования относительно большого объёма дорогостоящих редкоземельных магнитов; низкая однородность магнитного поля в объёме рабочего зазора, сложность изготовления магнитов для классической магнитной сборки Халбаха и трудности установки и фиксации магнитов при монтаже.
В 2009 году разработчики «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» поставили перед собой задачу не только увеличить магнитную индукцию в рабочем зазоре, но и обеспечить максимальную однородность магнитного поля в рабочем зазоре своих электрических машин. В результате, нами была создана и запатентована сборка магнитной фокусировки MFF.
Сравнивая схематичные фрагменты статора и ротора в разрезе, можно увидеть, как магнитная сборка MFF исправляет распределение линий магнитного поля в рабочем зазоре электрической машины, разрывая паразитные замыкания линий между соседними магнитами ротора и фокусируя их в направлении обмоток статора.
В отличие от магнитной сборки Халбаха, в сборке MFF, как и в классической раскладке, остаются основные магниты, которые обеспечивают необходимую магнитную индукцию в рабочем зазоре. В магнитной сборке MFF есть специальные фокусирующие вставки между основными магнитами. Эти вставки эффективно устраняют паразитное замыкание магнитных линий на соседние магниты, разрывая такие магнитные линии и направляя их в рабочий зазор. В результате, поле в рабочем зазоре получается наиболее однородным с показателем магнитной индукции, сравнимым с Халбахом. Первые сравнительные расчёты магнитной сборки MFF по заданию проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» проводились кафедрой электрических машин Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и подтвердили высокую эффективность MFF.
При сравнимой магнитной эффективности с Халбахом, сборка MFF оказалась более экономичной и технологичной с точки зрения серийного производства:
- относительно малая масса и стоимость редкоземельных магнитов;
- малая масса магнитопровода;
- более высокая надёжность и точность фиксации магнитов;
- более высокая механическая прочность сборки.
Внедрение прорывных технологий
Успешный опыт команды «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» по организации серийного производства и сбыта электрических машин, использующих уникальное сочетание технологий CCSC и MFF, организованное на территории ЕС, подтвердил на практике убедительное превосходство наших запатентованных технологий над лучшими мировыми аналогами в своём классе!
По мере совершенствования технологий CCSC и MFF команда «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» неуклонно приближает удельные силовые характеристики электродвигателей серий EM и AEM к эталонным по мощности инновационным электродвигателям «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» серии iEM. При этом, из-за отсутствия железного якоря, электродвигатели серий EM и AEM превосходят серию iEM по номинальному КПД. Более того, для управления электродвигателями серий EM и AEM можно применять более дешёвые частотные преобразователи с доступной полупроводниковой элементной базой. В условиях санкционных ограничений все перечисленные преимущества технологий проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» открывают широкие перспективы использования электродвигателей «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» во всех ведущих отраслях на территории России и ЕАЭС.
Благодаря своей инновационности и универсальности, технологии и разработки «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» являются уникальной основой для развития новой технологической экосистемы в России, открывающей широкие возможности для успешной разработки современных систем электродвижения!
(*) Другие запатентованные технологии проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ», предназначенные для электрических машин нового поколения, будут описаны в отдельной статье.
