Выбор конструкции активной зоны синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и осевым магнитным потоком
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-9-64-75Ключевые слова:
синхронный двигатель с осевым магнитным потоком, машины с постоянными магнитами, конструктивные решения, моделирование, метод конечных элементовАннотация
Статья посвящена исследованию влияния конструктивных решений в активной зоне на параметры синхронного двигателя мощностью 60 кВт с осевым магнитным потоком, возбуждением от постоянных магнитов и сегментированным статором без ярма. С использованием компьютерного моделирования методом конечных элементов проведено сравнение вариантов, включая конфигурации системы возбуждения с магнитами, намагниченными только в осевом направлении, с массивом Хальбаха и массивом Хальбаха без ферромагнитного ярма на роторе, а также конфигурации с открытыми и полузакрытыми пазами статора. Рассмотрено три материала для магнитопровода статора: электротехническая сталь марки 2421, магнитомягкий композитный материал Somaloy 700HR 5P и аддитивно изготовленный сплав Fe-4.5Si. Оценено влияние данных решений на ключевые параметры машины: механическую мощность, массу активной зоны, потери в магнитопроводе и постоянных магнитах, коэффициент мощности. По результатам анализа выбрана конструкция, обеспечивающая сбалансированные энергетические и массогабаритные показатели при приемлемой технологичности. На базе выбранной конфигурации разработана трехмерная модель электродвигателя, позволившая оценить массогабаритные параметры всей машины и провести сравнение с решениями, представленными на рынке.
Библиографические ссылки
1. Качанов И.М. и др. Электродвигатели для тяжелых беспилотных летательных аппаратов. – Электротехника, 2025, № 2, с. 66–74.
2. Ковалев Л.К. и др. Многополюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок. – Электричество, 2013, № 8, с. 2–8.
3. Hao Z. et al. A Review of Axial-Flux Permanent-Magnet Motors: Topological Structures, Design, Optimization and Control Techniques. – Machines, 2022, vol. 10, No. 12, DOI: 10.3390/machines10121178.
4. Douine B. et al. Overview of High Temperature Superconductor Machines. – Электричество, 2021, № 4, с. 25–33.
5. Modestov K. et al. Disk-Type Inductor Electric Machine Based on High-Temperature Superconductors. – Int. Conf. on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 314–318, DOI: 10.1109/ICOECS 52783.2021.9657407.
6. Ковалев Л.К. и др. Многодисковый гистерезисный электродвигатель на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников. – Электричество, 1998, № 3, с. 33–43.
7. Jenkins C. et al. Innovations in Axial Flux Permanent Magnet Motor Thermal Management for High Power Density Applications. – IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023, vol. 9, No. 3, pp. 4380–4405, DOI: 10.1109/TTE.2023.3242698.
8. Su L. et al. Multi-Objective Optimization of Yokeless and Segmented Armature Machine for In-Wheel Traction Applications Based on the DOI: 10.3390/machines12040221.
9. Vision One-Eleven [Электрон. ресурс], URL: https://group.mercedes-benz.com/technology/innovation/vision/vision-oneeleven.html (дата обращения 03.03.2026).
10. Axial Flux in Motion: A Story of Electrified Performance [Электрон. ресурс], URL: https://yasa.com/applications/ (дата обращения 01.03.2026).
11. Aviation [Электрон. ресурс], URL: https://emrax.com/references/aviation-aerospace/ (дата обращения 01.03.2026).
12. Шимчак П. Дисковые синхронные машины с постоянными магнитами: современное состояние и тенденции развития. – Электричество, 2009, № 8, с. 37–46.
13. Benlamine R. et al. 3-D Numerical Hybrid Method for PM Eddy-Current Losses Calculation: Application to Axial-Flux PMSMs. – IEEE Transactions on Magnetics, 2015, vol. 51, No. 7, DOI: 10.1109/TMAG.2015.2405053.
14. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1990, 463 с.
15. Zhu Z.Q., Howe D. Halbach Permanent Magnet Machines and Applications: A Review. – IEE Proceedings – Electric Power Applications, 2001, vol. 148, No. 4, pp. 299–308, DOI: 10.1049/ip-epa: 20010479.
16. Talebi D. et al. Design of a Carbon Fiber Rotor in a Dual Rotor Axial Flux Motor for Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2024, vol. 60, No. 5, pp. 6846–6855, DOI: 10.1109/TIA.2024.3425802.
17. Yun J., Grainger B., Ohodnicki P. A Study on the Performance Improvement of Axial Flux Permanent Magnet Machines Based on Stator Slot Design with Semi-Closed Slots or Magnetic Wedges. – IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo, 2024, DOI: 10.1109/ITEC60657.2024.10598883.
18. Xuan H.V., Trong V.N. Effective Electromagnetic Models for the Design of Axial Flux Permanent Magnet Generators in Wind Power. – Engineering Proceedings, 2025, vol. 104, DOI: 10.3390/engproc2025104082.
19. Sergeant P., Vansompel H., Dupré L. Effect of Stator Slot Openings in Axial Flux Permanent Magnet Machines. – Int. Conf. on Modeling and Simulation of Electric Machines, Converters and Systems, 2014, pp. 512–517.
20. Jara W. et al. Rotor Eddy-Current Losses Reduction in an Axial Flux Permanent-Magnet Machine. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 8, pp. 4729–4737, DOI: 10.1109/TIE.2016.2547368.
21. Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е. К вопросу определения потерь на вихревые токи в постоянных магнитах высокооборотных электромеханических преобразователей энергии. – Вестник Московского авиационного института, 2017, т. 24, № 4, с. 143–150.
22. Shokrollahi H., Janghorban K. Soft Magnetic Composite Materials (SMCs). – Journal of Materials Processing Technology, 2007, vol. 189, No. 1–3, DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.02.034.
23. Somaloy, Powders for Electromagnetic Applications [Электрон. ресурс], URL: https://www.hoganas.com/en/powder-technologies/soft-magnetic-composites/products/coated-powders-for-electromagnetic-applications/ (дата обращения 15.02.2026).
24. P400 R Electric Motors [Электрон. ресурс], URL: https://yasa.com/media/2021/05/yasa-p400rdatasheet-rev-14.pdf (дата обращения 25.05.2026).
25. 750 R Electric Motors [Электрон. ресурс], URL: https://yasa.com/media/2021/05/yasa-750rdatasheet-rev-11.pdf (дата обращения 25.05.2026).
26. EMRAX 208 [Электрон. ресурс], URL: https://emrax.com/e-motors/emrax-208/ (дата обращения 25.05.2026).
27. EMRAX 268 [Электрон. ресурс], URL: https://emrax.com/e-motors/emrax-268/ (дата обращения 25.05.2026).
---
Работа выполнена в рамках Соглашения о предоставлении из федерального бюджета гранта на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития Минобрнауки России № 075-15-2024-552.
#
1. Kachanov I.M. et al. Elektrotehnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2025, No. 2, pp. 66–74.
2. Kovalev L.K. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2013, No. 8, pp. 2–8.
3. Hao Z. et al. A Review of Axial-Flux Permanent-Magnet Motors: Topological Structures, Design, Optimization and Control Techniques. – Machines, 2022, vol. 10, No. 12, DOI: 10.3390/machines10121178.
4. Douine B. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 4, pp. 25–33.
5. Modestov K. et al. Disk-Type Inductor Electric Machine Based on High-Temperature Superconductors. – Int. Conf. on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 314–318, DOI: 10.1109/ICOECS 52783.2021.9657407.
6. Kovalev L.K. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1998, No. 3, pp. 33–43.
7. Jenkins C. et al. Innovations in Axial Flux Permanent Magnet Motor Thermal Management for High Power Density Applications. – IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023, vol. 9, No. 3, pp. 4380–4405, DOI: 10.1109/TTE.2023.3242698.
8. Su L. et al. Multi-Objective Optimization of Yokeless and Segmented Armature Machine for In-Wheel Traction Applications Based on the Taguchi Method. – Machines, 2024, vol. 12, No. 4, DOI: 10.3390/machines12040221.
9. Vision One-Eleven [Electron. resource], URL: https://group.mercedes-benz.com/technology/innovation/vision/vision-oneeleven.html (Accessed on 03.03.2026).
10. Axial Flux in Motion: A Story of Electrified Performance [Electron. resource], URL: https://yasa.com/applications/ (Accessed on 01.03.2026).
11. Aviation [Electron. resource], URL: https://emrax.com/references/aviation-aerospace/ (Accessed on 01.03.2026).
12. Shimchak P. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2009, No. 8, pp. 37–46.
13. Benlamine R. et al. 3-D Numerical Hybrid Method for PM Eddy-Current Losses Calculation: Application to Axial-Flux PMSMs. – IEEE Transactions on Magnetics, 2015, vol. 51, No. 7, DOI: 10.1109/TMAG.2015.2405053.
14. Katsman M.M. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). M.: Vysshaya shkola, 1990, 463 p.
15. Zhu Z.Q., Howe D. Halbach Permanent Magnet Machines and Applications: A Review. – IEE Proceedings – Electric Power Applications, 2001, vol. 148, No. 4, pp. 299–308, DOI: 10.1049/ip-epa: 20010479.
16. Talebi D. et al. Design of a Carbon Fiber Rotor in a Dual Rotor Axial Flux Motor for Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2024, vol. 60, No. 5, pp. 6846–6855, DOI: 10.1109/TIA.2024.3425802.
17. Yun J., Grainger B., Ohodnicki P. A Study on the Performance Improvement of Axial Flux Permanent Magnet Machines Based on Stator Slot Design with Semi-Closed Slots or Magnetic Wedges. – IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo, 2024, DOI: 10.1109/ITEC60657.2024.10598883.
18. Xuan H.V., Trong V.N. Effective Electromagnetic Models for the Design of Axial Flux Permanent Magnet Generators in Wind Power. – Engineering Proceedings, 2025, vol. 104, DOI: 10.3390/engproc2025104082.
19. Sergeant P., Vansompel H., Dupré L. Effect of Stator Slot Openings in Axial Flux Permanent Magnet Machines. – Int. Conf. on Modeling and Simulation of Electric Machines, Converters and Systems, 2014, pp. 512–517.
20. Jara W. et al. Rotor Eddy-Current Losses Reduction in an Axial Flux Permanent-Magnet Machine. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, vol. 63, No. 8, pp. 4729–4737, DOI: 10.1109/TIE.2016.2547368.
21. Ismagilov F.R., Vavilov V.E. Vestnik Moskovskogo avia-tsionnogo instituta – in Russ. (Bulletin of the Moscow Aviation Institute), 2017, vol. 24, No. 4, pp. 143–150.
22. Shokrollahi H., Janghorban K. Soft Magnetic Composite Materials (SMCs). – Journal of Materials Processing Technology, 2007, vol. 189, No. 1–3, DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.02.034.
23. Somaloy, Powders for Electromagnetic Applications [Electron. resource], URL: https://www.hoganas.com/en/powder-technologies/soft-magnetic-composites/products/coated-powders-for-electromagnetic-applications/ (Accessed on 15.02.2026).
24. P400 R Electric Motors [Electron. resource], URL: https://yasa.com/media/2021/05/yasa-p400rdatasheet-rev-14.pdf (Accessed on 25.05.2026).
25. 750 R Electric Motors [Electron. resource], URL: https://yasa.com/media/2021/05/yasa-750rdatasheet-rev-11.pdf (Accessed on 25.05.2026).
26. EMRAX 208 [Electron. resource], URL: https://emrax.com/e-motors/emrax-208/ (Accessed on 25.05.2026).
27. EMRAX 268 [Electron. resource], URL: https://emrax.com/e-motors/emrax-268/ (Accessed on 25.05.2026)
---
The study was carried out under the Agreement for the provision of a grant from the federal budget for large scientific projects in priority areas of scientific and technological development of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation no. 075-15-2024-552.
