Analiza zjawisk elektromagnetycznych maszyny elektrycznej wzbudzanej hybrydowo o topologii kłowej

1. Opis celu działania naukowego

Celem działania naukowego „Analiza zjawisk elektromagnetycznych maszyny elektrycznej wzbudzanej hybrydowo o topologii kłowej” było wykonanie prac przyczynkowych dotyczących rozwinięcia teorii z zakresu maszyn elektrycznych o topologii kłowej posiadających wzbudzenie hybrydowe. Do ww. prac należało wykonanie modeli symulacyjnych, z których jeden został wybrany i wykonany w formie fizycznego modelu eksperymentalnego.

2. Opis realizacji działania naukowego

W ramach niniejszego działania naukowego zostały wykonane wstępne badania podstawowe, które będą stanowiły przyczynek do opracowania teorii dotyczącej maszyn wzbudzanych hybrydowo o topologii kłowej. Do tego celu wykorzystano dwie metody badawcze, tj. symulacje komputerowe metodami polowymi oraz metodę eksperymentu. Podczas realizacji projektu w pierwszym etapie użyto metody elementów skończonych (MES), która jest jedną z najpopularniejszych i najskuteczniejszych metod analizy zjawisk i procesów elektromagnetycznych zachodzących w maszynach elektrycznych. W tym celu w programie ANSYS Maxwell zbudowano szereg modeli polowych oraz przeprowadzono wiele badań z różnymi ich wariantami zasilania.
 Po wykonaniu badań symulacyjnych dokonany został wybór jednej topologii modelu badawczego, który został następnie zaprojektowany mechanicznie w programie komputerowym SolidWorks, a następnie zbudowany. W trakcie realizacji zadania naukowego zbudowane zostały dwa modele eksperymentalne. Pierwszy, ze względu na zbyt mało wytrzymały mechanicznie wirnik, uległ uszkodzeniu już przy pierwszych testach. Z tego powodu konieczne było ponowne zamówienie elementów m.in. z blach ferromagnetycznych, łożysk, żywicy epoksydowej w celu budowy nowego modelu. Tym razem jednak wnętrze zbyt delikatnego (jak się okazało przy budowie pierwszego modelu) wirnika, zostało wypełnione żywicą epoksydową, co w wystarczający sposób wzmocniło konstrukcję i pozwoliło na kontynuowanie badań eksperymentalnych.

3. Opis efektów realizacji działania naukowego

Przedmiotem prowadzonych badań były modele elektromechanicznych przetworników energii o topologii kłowej, które posiadały wzbudzenie hybrydowe. Działanie naukowe stanowi kontynuację prowadzonych już wcześniej – lecz w mniejszym zakresie – badań nad tego typu maszynami, które posiadają pakietowane wirniki. Takie podejście znacznie upraszcza budowę przetwornika, a także umożliwia zaimplementowanie nawet najbardziej skomplikowanych kształtów, co nie jest możliwe – lub przynajmniej jest bardzo utrudnione – w przypadku konstrukcji litej wirników.
Podczas badań polowych przeanalizowano wpływ ilości źródeł sił magnetomotorycznych zarówno na napięcie indukowane (kształt oraz jego poziom), jak i moment zaczepowy oraz elektromagnetyczny. Z przeprowadzonych badań polowych wynika, że im większa ilość magnesów, tym wyższa wartość skuteczna napięcia indukowanego, jednak spada nieco zdolność regulacyjna maszyny. Drugą negatywną zależnością jest wzrost szkodliwego momentu zaczepowego wraz ze zwiększeniem ilości magnesów trwałych.
Z zestawu modeli symulacyjnych, ze względu na kształt napięcia indukowanego i dobry zakres regulacji, postanowiono zbudować model eksperymentalny z magnesami o szerokości 15 mm i grubości 3 mm. Wyniki badań symulacyjnych oraz eksperymentalnych wykazały dobrą zbieżność – nieprzekraczającą kilku procent różnicy między otrzymanymi wynikami. Zatem można uznać, że model polowy został opracowany poprawnie. Szczegółowe analizy wykazały, że możliwe jest skuteczne regulowanie wzbudzenia maszyny kłowej, w której zastosowano pakietowany wirnik. Zaobserwowano bardzo ciekawe zjawisko, które prawdopodobnie nie zostało jeszcze opisane w literaturze. Polega ono na tym, że istnieją struktury elektromechanicznych przetworników energii wzbudzanych hybrydowo, które mogą charakteryzować się słabym zakresem regulacji napięcia fazowego, a stosunkowo dobrym zakresem regulacji napięcia przewodowego (międzyfazowego), przy założeniu układu połączeń uzwojeń przetwornika w gwiazdę. Podobne zjawisko zaistniało w badanym modelu: współczynnik FCR (field control range) dla wartości skutecznych napięć fazowych wyniósł odpowiednio dla badań symulacyjnych i eksperymentalnych FCR_sym = 1,04; FCR_exp = 1,01, co oznacza w praktyce brak regulacji, natomiast dla wartości skutecznych napięć przewodowych współczynniki wyniosły odpowiednio: FCR_sym = 2,39; FCR_exp = 2,25, co daje względnie dobry zakres regulacji napięcia. Jest to kolejne bardzo interesujące zjawisko, które zauważono podczas badań prowadzonych w ramach działania naukowego, i które wymaga dalszego wyjaśnienia i opisania.

Informacje nt. działania znajdują się również na stronie ResearchGate oraz WE ZUT.

4. W jaki sposób realizacja działania naukowego wpłynęła na rozwój kariery naukowej osoby realizującej działanie naukowe

Realizacja niniejszego działania naukowego w znaczącym stopniu wpłynęła pozytywnie na rozwój kariery naukowej osoby realizującej to działanie. W momencie składania wniosku o finansowanie zadania w konkursie MINIATURA 2 osoba realizująca posiadała następujące wskaźniki bibliometryczne:
Index Hirsha:  6 – wg Web of Science,  7 – wg SCOPUS,  8 – wg Google Scholar.
Liczba cytowań:  81 – wg Web of Science,  118 – wg SCOPUS,  234 – wg Google Scholar.
Obecnie parametry te wynoszą:
Index Hirsha:  8 – wg Web of Science,  8 – wg SCOPUS,  9 – wg Google Scholar.
Liczba cytowań:  132 – wg Web of Science,  183 – wg SCOPUS,  302 – wg Google Scholar.
Dzięki uzyskaniu finansowania działania możliwe było ponadto wykonanie modelu eksperymentalnego, dzięki któremu można było zweryfikować wcześniej wykonane badania numeryczne. Otrzymano ponadto ciekawe wyniki badań, zarówno symulacyjnych, jak i eksperymentalnych, które użyte zostały już w powstałych artykułach naukowych, ale które posłużą także do opracowania nowych (w zamierzeniu przynajmniej dwóch) artykułów w czasopismach wysokiej rangi, tj. min. za 100 pkt. wg nowego wykazu punktowego czasopism, ogłoszonego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Złożenie jednego artykułu planowane jest jeszcze w bieżącym roku.
Ponadto przeprowadzone badania symulacyjne na potrzeby realizacji niniejszego działania naukowego zostały zaprezentowane m.in. na konferencji naukowej Wybrane Zagadnienia Elektrotechniki i Elektroniki. Opracowany został m.in. artykuł pt.”The Influence of Permanent Magnet Amount on No-load Parameters of Hybrid Excited Claw Pole Machine with Laminated Rotor”, który stanowił istotną cześć osiągnięcia naukowego pn. „Maszyny elektryczne ze wzbudzeniem od magnesów trwałych i dodatkowych obwodów elektromagnetycznych do zastosowania w napędach pojazdów elektrycznych lub jako generatory w siłowniach wiatrowych”. Za osiągnięcie to osoba realizująca uzyskała w dniu 30.09.2019 r. stopień doktora habilitowanego w dyscyplinie automatyka, elektronika i elektrotechnika.