Андрей Юрьевич Измайлов, доктор технических наук, профессор, академик РАН
Москва
Andrey Yu. Izmaylov, Dr.Sc.(Eng.), professor, member of the Russian Academy of Sciences
Moscow
Алексей Семенович Дорохов, доктор технических наук, профессор, академик РАН
Москва
Alexey S. Dorokhov, Dr.Sc.(Eng.), professor, member of the Russian Academy of Sciences
Moscow
Алексей Валерьевич Букреев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Москва
Alexey V. Bukreev, Ph.D.(Eng.), senior researcher
Moscow
Рудольф Юрьевич Соловьев, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник
Москва
Rudolf Yu. Solovyev, Ph.D.(Eng.), associate professor, leading researcher
Moscow
Роман Рудольфович Соловьев, младший научный сотрудник
Москва
Roman R. Solovyev, junior researcher
Moscow
Современные тенденции электрификации требуют создания специализированных тяговых электродвигателей, сочетающих высокую удельную мощность, технологичность и энергоэффективность. Перспективным направлением является применение синхронных реактивных электродвигателей, которые обеспечивают низкую стоимость производства и высокую ремонтопригодность сельскохозяйственной техники, используемой в тяжелых условиях эксплуатации. (Цель исследования) Разработать и экспериментально верифицировать конструкцию энергоэффективного синхронного реактивного электродвигателя с многослойным ротором для сельскохозяйственных мобильных платформ, а также оценить эффективность разных алгоритмов векторного управления для максимизации крутящего момента и коэффициента полезного действия. (Материалы и методы) Исследовали трехфазный синхронный реактивный электродвигатель мощностью 3 кВт с четырехбарьерным ротором. Проектирование геометрии барьеров выполнялось с использованием параметрической оптимизации на основе безразмерных коэффициентов. Магнитное поле и интегральные характеристики (индуктивность, потокосцепление, потери) рассчитаны методом конечных элементов в среде FluxMotor. Верификация проведена на стенде, оснащенном нагрузочным устройством и преобразователем частоты. Выполнено сравнение двух стратегий управления: датчикового векторного и бездатчикового векторного. (Результаты и обсуждение) Разработанная конструкция ротора с четырьмя воздушными барьерами обеспечила высокую анизотропию (отношение индуктивностей 4,08), что позволило достичь номинального момента 31,4 Н·м при токе 9,61 А. Применение датчикового векторного управления обеспечивает увеличение крутящего момента до 9% и КПД на 2-3% по сравнению с бездатчиковым управлением во всем диапазоне рабочих скоростей. В зоне высоких нагрузок максимальный зафиксированный КПД составил 95%. Расчетные и экспериментальные данные показали хорошую сходимость. Расхождение по моменту не превысило 8,2%, по КПД – 7,0%. Достигнутые характеристики позволяют эффективно использовать двигатель в составе тягового электропривода сельскохозяйственных мобильных платформ. (Выводы) Разработанный синхронный реактивный электродвигатель полностью удовлетворяет требованиям к тяговым электроприводам. Высокая энергоэффективность (КПД до 95%) в сочетании с простотой и технологичностью конструкции обеспечивает снижение эксплуатационных затрат, увеличение запаса хода и производительности техники. Применение алгоритмов датчикового векторного управления рекомендуется для режимов, требующих максимальной реализации момента и эффективности, что особенно важно при выполнении энергоемких операций (вспашка, работа с валом отбора мощности и т.д.).
Current trends in electrification require the development of specialized traction electric motors that combine high power density, manufacturability, and energy efficiency. Synchronous reluctance motors are a promising solution because they offer low manufacturing costs and high maintainability, which are particularly important for agricultural machinery operating under harsh conditions. (Research purpose) The aim of this study is to develop and experimentally verify the design of an energy-efficient synchronous reluctance motor with a multilayer rotor for agricultural mobile platforms and to evaluate the effectiveness of different vector-control algorithms in maximizing torque and efficiency. (Materials and methods) A three-phase 3-kilowatt synchronous reluctance motor with a four-barrier rotor was investigated. The flux-barrier geometry was designed through parametric optimization using dimensionless coefficients. The magnetic field and the main electromagnetic characteristics, including inductance, flux linkage, and losses, were calculated using the finite element analysis in FluxMotor. Experimental verification was performed on a test bench equipped with a loading device and a frequency converter. Two control strategies were compared: sensor-based vector control and sensorless vector control. (Results and discussion) The developed rotor design with four flux barriers provided high magnetic anisotropy, with an inductance ratio of 4.08, enabling a rated torque of 31.4 newton-meters to be achieved at a current of 9.61 amperes. Compared with sensorless control, sensor-based vector control increased torque by up to 9 percent and efficiency by 2–3 percent over the entire operating speed range. Under high-load conditions, the maximum recorded efficiency reached 95 percent. Comparison of the simulated and experimental data showed good agreement, with the discrepancies not exceeding 8.2 percent for torque and 7.0 percent for efficiency. The achieved characteristics make the developed motor suitable for effective use in traction electric drives of agricultural mobile platforms. (Conclusions) The developed synchronous reluctance motor meets the requirements for traction electric drives. Its high energy efficiency, reaching up to 95 percent, combined with a simple and readily manufacturable design, can reduce operating costs, increase driving range, and improve machine productivity. Sensor-based vector-control algorithms are recommended for operating modes requiring maximum torque and efficiency, which is particularly important during energy-intensive operations such as plowing and power take-off operation.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.