Design of a direct current motor with a windingless rotor for electric vehicles

Abstract

Зазвичай у сучасних електромобілях у якості тягових електродвигунів використовують синхронні двигуни з магнітоелектричним збудженням. Маючи ряд переваг серед інших типів електричних машин, цей двигун має один істот-ний недолік – високу вартість, обумовлену високою ціною на постійні магніти. Крім цього, неможливість відключити магнітне поле при несправності двигуна може призвести до виникнення аварійної ситуації на дорозі. У зв'язку із цим виникає необхідність у розробці нових конструкцій електричних машин з електромагнітним збудженням. Конструкція тягового двигуна постійного струму з електромагнітним збудженням за рахунок сегментації статора або ротора дозволяє суттєво послабити поле поперечної реакції якоря шляхом зниження магнітної провідності магнітопроводу в поперечному напрямку. Тому в даній конструкції немає необхідності в установці додаткових полюсів і компенсаційної обмотки. У конструкції відсутні постійні магніти, усі обмотки нерухомі, замість колектора використовується електронний комутатор, а безобмотковий малоінерціїний ротор не потребує додаткових мір по відводу тепла. Усе це дозволило суттєво зменшити вартість активних матеріалів тягового двигуна й підвищити його надійність. Для перевірки працездатності нової конструкції були створені повнорозмірний макет двигуна та робочий експериментальний зразок. Прийнявши в якості аналога синхронний реактивний двигун з підмагнічуванням для електромобіля BMW i3, були проведені розрахунки двигуна і його моделювання. Результати аналізу показують, що маса нового двигуна більше маси аналога на 35 %, але при цьому вартість активних матеріалів менше, ніж у аналога, на 63 %. Отримані результати дають підстави щодо можливості втілення даної конструкції у реальне промислове виробництво.

Modern electric vehicles typically exploit synchronous motors with magnetoelectric excitation as traction engines. While possessing a series of undeniable advantages, the synchronous motor has one significant drawback ‒ the high cost predetermined by the high price of permanent magnets. In addition, the impossibility to disable a magnetic field in case of engine malfunction can lead to an emergency on the road. Given this, there is a need to design new structures of electrical machines with electromagnetic excitation. The structure of a DC traction motor with electromagnetic excitation involving the rotor or stator segmentation makes it possible to considerably weaken the field of the armature transverse reaction by decreasing magnetic conductivity of the magnetic circuit in the transverse direction. Therefore, such a structure lacks commutating poles and a compensation winding. There are no permanent magnets in the structure, all windings are stationary, an electronic switch is used instead of a collector, and a windingless low-inertia rotor does not require additional measures to remove heat. That all has made it possible to significantly reduce the cost of active materials for the traction engine and improve its reliability. To test the performance of the new design, a full-size model of the engine and a working experimental prototype were fabricated. Applying a synchronous jet engine with magnetization for the BMW i3 electric car as an analog, the engine calculations were performed and its simulation was carried out. The results of the analysis show that the mass of the new engine is 35 % greater than the mass of the analog but the cost of active materials is less than that of the analog by 63 %. The results testify to the possibility of implementing a given structure industrially