Three-dimensional electromagnetic field model of an auger electromechanical converter with an external solid rotor

Abstract

Purpose. Creating a three-dimensional mathematical model of the electromagnetic field of an auger electromechanical converter with the external solid rotor, taking into account the geometry peculiarities and the finite length factor. Methods. Calculation of the electromagnetic field distribution has been performed with the use of the computational solving the differential equations by the finite element method in a three-dimensional statement. Findings. It has been set that in the air gap the values of magnetic induction vary in the range of 0.7 – 0.8 T, in the flanks of the stator teeth they reach the value of 2 T. Induction in a hollow ferromagnetic rotor varies mainly in the range of 1.3 – 2.0 T, and in a thin layer with a thickness of 1.0 – 1.5 mm, facing the stator surface, it reaches the value of 2.3 T. Within one pole pitch, the z-component maximum of the eddy currents density is 18·106 A/m2 on the inner hollow rotor surface. It has been determined that, with the exception of the ‘edge’ rotor sections, where the transverse component of eddy currents prevails, as well as the sections of the magnetic flux “input” into the rotor, the eddy currents are mainly axial. A comparison of the results of measuring the electric field intensity on the rotor surface evidences a data difference of not more than 4%. The proposed model enables to optimize the design of the converter, in particular, to reduce the magnetic induction in the stator teeth. Originality. Numerical results have been obtained in the form of spatial patterns of distribution and graphical dependences that take into complete account the axial and tangential components of the electromagnetic field. Practical implications. The considered finite element model can be used when analysing the electromagnetic fields in electromechanical converters with a complex secondary part. This will give a possibility to consider the real three-dimensional field character, caused by the design peculiarities and the final axial dimensions

Мета. Створення тривимірної математичної моделі електромагнітного поля шнекового електромеханічного перетворювача із зовнішнім масивним ротором, що враховує особливості геометрії і фактор кінцевої довжини. Методика. Розрахунок розподілу електромагнітного поля виконаний із використанням чисельного рішення диференціальних рівнянь методом кінцевих елементів в тривимірній постановці. Результати. Встановлено, що у повітряному зазорі значення магнітної індукції змінюються в діапазоні 0.7 – 0.8 Тл, в ніжках зубців статора досягають величини 2 Тл. Індукція в порожнистому феромагнітному роторі переважно змінюється в діапазоні 1.3 – 2.0 Тл, а в тонкому шарі товщиною 1.0 – 1.5 мм, зверненому до поверхні статора, досягає величини 2.3 Тл. В межах одного полюсного поділу максимум z-компоненти густини вихрових струмів становить 18·106 А/м2 на внутрішній поверхні порожнистого ротора. Визначено, що за винятком “крайових” ділянок ротора, де переважає поперечна складова вихрових струмів, а також ділянок “входу” магнітного потоку в ротор, вихрові струми в основному є аксіальними. Порівняння результатів вимірювання напруженості електричного поля на поверхні ротора показало відмінність даних не більше 4%. Запропонована модель дозволяє оптимізувати конструкцію перетворювача, зокрема, зменшити магнітну індукцію в зубцях статора. Наукова новизна. Отримано чисельні результати у вигляді просторових картин розподілу та графічних залежностей, які повністю враховують аксіальну та тангенціальну компоненти електромагнітного поля. Практична значимість. Розглянута кінцево-елементна модель може бути використана при аналізі електромагнітних полів в електромеханічних перетворювачах зі складною вторинної частиною. Це дозволить врахувати реальний тривимірний характер поля, викликаний особливостями конструкції і кінцевими осьовими розмірами.

Цель. Создание трехмерной математической модели электромагнитного поля шнекового электромеханического преобразователя с внешним массивным ротором, учитывающей особенности геометрии и фактор конечной длины. Методика. Расчет распределения электромагнитного поля выполнен с использованием численного решения дифференциальных уравнений методом конечных элементов в трехмерной постановке. Результаты. Установлено, что в воздушном зазоре значения магнитной индукции изменяются в диапазоне 0.7 – 0.8 Тл, в ножках зубцов статора достигают величины 2 Тл. Индукция в полом феромагнитном роторе преимущественно изменяется в диапазоне 1.3 – 2.0 Тл, а в тонком слое толщиной 1.0 – 1.5 мм, обращенном к поверхности статора, достигает величины 2.3 Тл. В пределах одного полюсного деления максимум z-компоненты плотности вихревых токов составляет 18·106 А/м2 на внутренней поверхности полого ротора. Определено, что за исключением “краевых” участков ротора, где преобладает поперечная составляющая вихревых токов, а также участков “входа” магнитного потока в ротор, вихревые токи в основном являются аксиальными. Сопоставление результатов измерения напряженности электрического поля на поверхности ротора показало различие данных не более 4%. Предложенная модель позволяет оптимизировать конструкцию преобразователя, в частности, снизить магнитную индукцию в зубцах статора. Научная новизна. Получены численные результаты в виде пространственных картин распределения и графических зависимостей, которые полностью учитывают аксиальную и тангенциальную компоненты электромагнитного поля. Практическая значимость. Рассмотренная конечно-элементная модель может быть использована при анализе электромагнитных полей в электромеханических преобразователях со сложной вторичной частью. Это позволит учесть реальный трехмерный характер поля, вызванный особенностями конструкции и конечными осевыми размерами.