Nowatorska maszyna synchroniczna z uzwojeniem harmonicznym wirnika o wysokiej sprawności, samowzbudzonym i bezszczotkowym, z ulepszonymi właściwościami momentu

Dlaczego nowy typ silnika ma znaczenie

Silniki elektryczne są ukryte w niemal każdym urządzeniu poruszającym się we współczesnym życiu — od robotów przemysłowych, przez samochody elektryczne, po sprzęt AGD. Wiele z najbardziej wydajnych dzisiejszych silników opiera się na magnesach trwałych z materiałów ziem rzadkich, które są kosztowne i podatne na zakłócenia w łańcuchu dostaw. W artykule przedstawiono inne podejście: kompaktowy projekt silnika, który generuje dużą siłę skrętną, czyli moment, bez użycia magnesów trwałych i łatwo łamliwych szczotek, co może uczynić wysokowydajne napędy elektryczne tańszymi, bardziej trwałymi i łatwiejszymi w utrzymaniu.

Silniki bez drogich magnesów

Standardowe wysokoefektywne silniki często wykorzystują silne magnesy trwałe zamocowane na wirniku. Magnesy te zapewniają stałe pole magnetyczne, co pomaga silnikowi pracować efektywnie przy obciążeniu nominalnym, lecz marnuje energię przy niskich obciążeniach i utrudnia sterowanie w szerokim zakresie prędkości. Polegają też na metalach ziem rzadkich, których cena i dostępność mogą gwałtownie się zmieniać. Alternatywą jest synchroniczny silnik z nawiniętym wirnikiem, w którym pole wirnika wytwarzane jest przez miedziane cewki zamiast magnesów. Tradycyjne wersje takich maszyn wymagają jednak szczotek i pierścieni ślizgowych do doprowadzenia prądu do obracającego się wirnika, co powoduje zużycie, iskrzenie, straty i konieczność konserwacji.

Bezszczotkowe konstrukcje i ich ograniczenia

Naukowcy od lat starają się stworzyć silniki łączące sterowalność nawiniętego wirnika z niskim kosztem utrzymania konstrukcji bezszczotkowych. Wiele proponowanych bezszczotkowych maszyn z nawiniętym wirnikiem wykorzystuje dodatkowe uzwojenia i liczne moduły elektroniki mocy, aby przesyłać energię do wirnika bez bezpośredniego kontaktu elektrycznego. Często opierają się na precyzyjnie ukształtowanych polach magnetycznych zawierających niewielkie zafalowania, czyli harmoniczne, które mogą indukować prądy w specjalnych cewkach wirnika. Choć takie rozwiązania działają, bywają skomplikowane — wymagają dodatkowych falowników, dodatkowych uzwojeń stojana lub magnesów trwałych, co podnosi koszty i nadal może nie wystarczyć do osiągnięcia wysokiej gęstości momentu.

Bardziej inteligentne wykorzystanie ukrytych zafalowań magnetycznych

Autorzy budują na niedawnej idei wykorzystania istniejącego „podharmonicznego” zafalowania w polu magnetycznym stojana do generowania energii wewnątrz wirnika. Zamiast dodawać więcej sprzętu po stronie nieruchomej, skoncentrowali się na przeprojektowaniu samego wirnika. W wcześniejszych konstrukcjach tylko połowa dostępnych szczelin wirnika była wypełniona specjalnym uzwojeniem harmonicznym, które wychwytywało to podharmoniczne pole i zasilało prostownik, a ten dostarczał prąd stały do głównego uzwojenia wzbudzenia wirnika. Nowe podejście wykorzystuje niewykorzystane miejsce przez dodanie drugiego, identycznego uzwojenia harmonicznego do pustych szczelin wirnika i połączenie obu uzwojeń przez kondensator, aby ich prądy przemienne pozostały zgodne fazowo.

Jak nowy wirnik zwiększa moment

Gdy trójfazowy prąd z jednego falownika płynie w uzwojeniach stojana, tworzy zarówno główne pole wirujące, jak i silny składnik podharmoniczny. Ten podharmoniczny skłon przelatuje obok dwóch uzwojeń harmonicznych na wirniku, indukując w każdym z nich prądy przemienne. Dwa te prądy łączą się i przepływają przez mały prostownik umieszczony na wirniku, który konwertuje zsumowany sygnał na stały prąd dla głównego uzwojenia wzbudzenia. Ponieważ zamiast jednego istnieją teraz dwa uzwojenia harmoniczne, z tego samego wejścia stojana uzyskuje się więcej prądu, wzmacniając pole wirnika bez dodatkowego zewnętrznego sprzętu zasilającego. Symulacje numeryczne metodą elementów skończonych prototypu 8-biegunowego z 12 szczelinami pokazują, że średni prąd wzbudzenia w nowej konstrukcji wzrasta prawie o 30 procent w porównaniu z wcześniejszą wersją z pojedynczym uzwojeniem.

Zyski wydajności w realistycznych warunkach

Mocniejsze pole wirnika przekłada się bezpośrednio na większy moment i moc. Przy tej samej prędkości obrotowej i tym samym prądzie stojana nowa maszyna generuje średnio około 10,25 niutonometrów momentu, w porównaniu do 8,39 niutonometrów dla referencyjnej konstrukcji — wzrost o 22,15 procent. Moc wyjściowa rośnie w podobnym stopniu, a sprawność nieznacznie wzrasta do prawie 93 procent. Co istotne, tętnienie momentu, czyli miara płynności obrotu silnika, pozostaje bardzo małe (poniżej jednego procenta), co oznacza, że dodane uzwojenie nie wprowadza niepożądanych wibracji. Poziomy strumienia magnetycznego w rdzeniu stalowym pozostają poniżej granicy nasycenia, co wskazuje, że poprawa parametrów nie następuje kosztem przegrzewania czy nadmiernego obciążenia materiału.

Co to oznacza dla przyszłych napędów elektrycznych

Mówiąc prosto, badacze pokazali, że sprytne przearanżowanie miedzi wewnątrz wirnika może uzyskać znacznie większe użyteczne „pchniecie” z silnika bez zmiany jego wymiarów zewnętrznych, zasilania ani konstrukcji stojana. Wypełniając niewykorzystaną przestrzeń wirnika drugim uzwojeniem harmonicznym i wykorzystując wbudowane zafalowania magnetyczne jako darmowy kanał transferu energii, ich bezszczotkowa maszyna z nawiniętym wirnikiem uzyskuje wyższy moment, płynną pracę i nieco lepszą sprawność — przy całkowitym uniknięciu drogich magnesów trwałych i wymagających konserwacji szczotek. Takie silniki mogą stać się atrakcyjną opcją dla pojazdów elektrycznych i innych zastosowań o wysokim momencie, gdzie istotne są koszty, niezawodność i bezpieczeństwo dostaw, równie ważne jak surowe parametry.

Cytowanie: ul Haq, M.A., Farooq, H., Liaqat, R. et al. A novel rotor harmonic winding-based high efficient self-excited brushless wound rotor synchronous machine with improved torque features. Sci Rep 16, 9267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38287-z

Słowa kluczowe: bezszczotkowy silnik z nawiniętym wirnikiem, silniki elektryczne o dużym momencie, napędy bez magnesów trwałych, samowzbudne uzwojenie wirnika, napęd trakcji pojazdów elektrycznych