Новая высокоэффективная бесщеточная синхронная машина с возбуждением от ротора на основе гармонической обмотки ротора и улучшенными характеристиками момента

Почему новый тип двигателя важен

Электродвигатели скрыты почти во всём, что движется в современной жизни — от промышленных роботов до электромобилей и бытовой техники. Многие из наиболее эффективных сегодня двигателей используют постоянные магниты из редкоземельных материалов, которые дороги и уязвимы к перебоям поставок. В этой работе предложен иной подход: компактная конструкция двигателя, обеспечивающая высокий крутящий момент без постоянных магнитов и хрупких щёточных контактов, что потенциально делает высокопроизводительные электроприводы дешевле, долговечнее и проще в обслуживании.

Двигатели без дорогих магнитов

Стандартные высокоэффективные двигатели часто применяют мощные постоянные магниты на вращающемся роторе. Эти магниты создают постоянное магнитное поле, которое помогает двигателю эффективно работать при номинальной нагрузке, но тратит энергию при небольших нагрузках и усложняет управление в широком диапазоне скоростей. Кроме того, они зависят от редкоземельных металлов, чьи цены и доступность могут резко меняться. Альтернатива — синхронный двигатель с обмотанным ротором, где магнитное поле ротора создаётся медными катушками вместо магнитов. Однако традиционные версии таких машин требуют щёток и контактных колец для подачи тока на вращающийся ротор, что влечёт износ, искрение, потери и дополнительные требования к обслуживанию.

Бесщеточные конструкции и их ограничения

Исследователи годами пытаются создать двигатели, которые сочетали бы управляемость обмотанного ротора с малым обслуживанием бесщеточных систем. Многие предложенные бесщеточные машины с обмотанным ротором используют дополнительные обмотки и несколько модулей силовой электроники, чтобы незаметно подать энергию в ротор без прямого электрического контакта. Часто они опираются на специально сформированные магнитные поля с небольшими пульсациями, или гармониками, которые могут индуцировать токи в специальных обмотках ротора. Хотя такие схемы работают, они обычно сложны, требуют дополнительных инверторов, дополнительных обмоток статора или постоянных магнитов, что повышает стоимость и всё ещё может не обеспечить требуемую плотность крутящего момента.

Более разумное использование скрытых магнитных пульсаций

Авторы опираются на недавнюю идею использования уже существующей «субгармонической» пульсации в магнитном поле статора для генерации энергии внутри ротора. Вместо того чтобы добавлять оборудование на неподвижной части машины, они сосредоточились на переработке самого ротора. В предыдущих проектах лишь половина доступных пазов ротора заполнялась специальной гармонической обмоткой, которая улавливала эту субгармонику и питала выпрямитель, а тот подавал постоянный ток в основную обмотку возбуждения ротора. Новый подход использует не занятое пространство: во вторую половину пазов устанавливают такую же гармоническую обмотку и соединяют обе через конденсатор, чтобы их переменные токи оставались синхронизированными.

Как новый ротор увеличивает крутящий момент

Когда трёхфазный ток от одного инвертора течёт в обмотках статора, он создаёт и основное вращающееся поле, и сильную субгармоническую составляющую. Эта субгармоника пролетают мимо двух гармонических обмоток ротора, индуцируя в каждой из них переменные токи. Эти два тока складываются и проходят через небольшой выпрямитель, смонтированный на роторе, который преобразует суммарный сигнал в постоянный ток для основной обмотки возбуждения. Поскольку теперь задействованы две гармонические обмотки вместо одной, с того же входного сигнала статора извлекается больше тока, усиливая магнитное поле ротора без дополнительной внешней силовой электроники. Численные конечных элементов для прототипа с 8 полюсами и 12 пазами показывают, что средний ток возбуждения в новой конструкции возрастает почти на 30 процентов по сравнению с ранней версией с одной обмоткой.

Улучшение характеристик в реальных условиях

Усиленное поле ротора напрямую переводится в больший крутящий момент и мощность. При той же скорости и том же токе статора новая машина вырабатывает средний момент около 10,25 ньютон-метра по сравнению с 8,39 ньютон-метра у эталонной конструкции — прирост 22,15 процента. Выходная мощность растёт примерно в той же пропорции, а эффективность слегка увеличивается до почти 93 процентов. Важно, что пульсация момента — показатель плавности вращения — остаётся очень небольшой (ниже одного процента), то есть добавленная обмотка не вносит нежелательных вибраций. Уровни магнитного потока в железном сердечнике остаются ниже предела насыщения, что свидетельствует о том, что улучшение характеристик не сопровождается перегревом или чрезмерными механическими нагрузками на материалы.

Что это значит для будущих электроприводов

Проще говоря, исследователи показали, что грамотное перераспределение меди внутри ротора позволяет извлечь заметно больше полезного усилия из двигателя, не меняя его внешних размеров, источника питания или конструкции статора. Заполнив неиспользуемое пространство ротора второй гармонической обмоткой и используя встроенные магнитные пульсации как бесплатный канал передачи энергии, их бесщеточная машина с обмотанным ротором достигает большего крутящего момента, плавной работы и немного более высокой эффективности — при полном отказе от дорогих постоянных магнитов и трудоёмких щёток. Такие двигатели могут стать привлекательным вариантом для электромобилей и других применений с высоким крутящим моментом, где стоимость, надёжность и надёжность поставок так же важны, как и абсолютная производительность.

Цитирование: 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

Ключевые слова: бесщеточный двигатель с обмотанным ротором, электродвигатели с высоким крутящим моментом, безредкоземельные приводы, самовозбуждаемая обмотка ротора, тяга для электромобилей