Απώλειες διννορρευμάτων σε μόνιμους μαγνήτες NdFeB και πειραματική επιβεβαίωση

Abstract

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται το θέμα των απωλειών δινορρευμάτων σε μόνιμους μαγνήτες. Πιο συγκεκριμένα, σε ένα πρώτο βήμα σχεδιάζεται ένα κύκλωμα που αποτελείται από ένα σιδηρομαγνητικό πυρήνα και μόνιμους μαγνήτες και υπολογίζονται μέσω προσομοιώσεων οι απώλειες δινορρευμάτων στους μαγνήτες. Σε ένα δεύτερο βήμα υλοποιείται το μαγνητικό κύκλωμα στο εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος του ΕΜΠ με σκοπό τη πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από το προηγούμενο στάδιο. Αρχικά, πραγματοποιείται αναφορά στις αρχές του Ηλεκτρομαγνητισμού που διέπουν τη λειτουργία των μαγνητικών κυκλωμάτων. Έπειτα πραγματοποιείται βιβλιογραφική επισκόπηση των ιδιοτήτων των σιδηρομαγνητικών υλικών με έμφαση στην ανάλυση των μαγνητικών ιδιοτήτων των μονίμων μαγνητών. Στη συνέχεια, αναλύονται οι απώλειες πυρήνα και ειδικότερα οι απώλειες δινορρευμάτων, όπου δίνεται και η κλασσική αναλυτική λύση. Με τη βοήθεια των προγραμματιστικών πακέτων Femmκαι AnsoftMaxwell επιλύεται το πρόβλημα σε δύο και τρεις διαστάσεις, μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων και προκύπτουν τα αποτελέσματα σχετικά με τη κατανομή του μαγνητικού πεδίου και τις απώλειες ισχύος στους μαγνήτες. Στο στάδιο αυτό εξετάζεται η επίδραση διεγέρσεων διαφορετικής συχνότητας καθώς και η επίδραση που έχει η κατάτμηση των μαγνητών σε βάθος στις απώλειες δινορρευμάτων. Ακολουθεί ο πειραματικός προσδιορισμός των απωλειών στους μαγνήτες, με την υλοποίηση του κυκλώματος που έχει σχεδιαστεί. Για την υλοποίηση του κυκλώματος επιλέχθηκαν μαγνήτες NdFeB. Με τη βοήθεια της πειραματικής διαδικασίας επιβεβαιώνεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων.

This studyconcerns the issue of eddy current losses in permanent magnets. More specifically, in the first place the design of a magnetic circuit consisting of a ferromagnetic core and permanent magnets is performed and eddy current losses in the magnetsare calculated via simulations. In a second step the magnetic circuit was implemented in the laboratory of Electrical Machines and Power Electronics of NTUA in order to experimentally validate the results that obtained in the previous step. Firstly, the principles of Electromagnetics that govern the operation of magnetic circuits are referred. Then, a bibliographic review of the properties of ferromagnetic materials, with emphasis on the analysis of the magnetic properties of permanent magnets, is performed. After that, the core losses and eddy current losses in particular, are analyzed and the classical analytical solution is given. By using of the programming packages Femm and Ansoft Maxwell, which solve the problem in two and three dimensions, using the finite element method, the effects on the distribution of the magnetic field and power losses on the magnets are extracted. At this stage, the effect of excitations of different frequencies and the effect of the segmentation of the magnets, in depth, in eddy current losses are considered. Furthermore, the eddy current losses on magnets are experimentally determined, by exploiting the circuit, which was previously designed. For the implementation of the circuit, magnets NdFeB are selected. Using the experimental procedure the accuracy of simulation results is confirmed.