Магнитная передача с магнитной системой Хальбаха для вспомогательных приводов
Д.С. Тарицын, О.Н. Молоканов
Вестник ИГЭУ, 2026 г. выпуск 1, сс. 66—74
Скачать PDF
Состояние вопроса. На тепловозе от одного дизельного двигателя необходимо с минимальным расходом энергии приводить значительное число агрегатов, имеющих разную номинальную частоту вращения. Используемые в настоящее время механические и гидравлические приводы требовательны к обслуживанию и качеству масла, электрические приводы громоздки и имеют меньший КПД. На примере тормозного компрессора предлагается внедрить в привод вспомогательных агрегатов бесконтактную магнитную передачу с магнитной системой Хальбаха для повышения надежности и энергоэффективности. При этом вспомогательные приводы, и в частности привод компрессора, должны иметь небольшое передаточное число (u = 2...5) для обеспечения необходимой частоты вращения. Исследования магнитных передач такого рода уже проводились, однако ни в одном исследовании не были представлены рекомендуемые относительные значения параметров геометрии магнитной системы, по которым можно было бы спроектировать магнитную передачу на заданный номинальный момент.
Материалы и методы. Электромагнитные явления в магнитной передаче исследованы с помощью плоской полевой модели с использованием уравнений Максвелла. Расчет выполнен методом конечных элементов. Для получения максимально компактной конструкции применена многофакторная оптимизация геометрических параметров магнитной передачи с магнитной системой Хальбаха по методу Нелдера–Мида.
Результаты. Исследованы электромагнитные явления в магнитной передаче. Выполнен их расчет. Определены оптимальные относительные геометрические параметры магнитной системы. Проведено сравнение стоимости активных материалов, в результате которого установлено, что стоимость единицы момента в передаче с магнитной системой Хальбаха ниже на 4,4 %.
Выводы. В результате внедрения магнитной системы Хальбаха плотность момента удалось повысить на 39,4 %, что позволяет пропорционально уменьшить магнитную передачу в объеме для получения того же момента на выходе. Полученные оптимальные геометрические параметры магнитной системы могут быть использованы как рекомендуемые для проектирования магнитных передач с высокой плотностью момента. Достигнута плотность момента 330 кН∙м/м3. Магнитную систему Хальбаха наиболее эффективно размещать на статоре: она позволяет отказаться от магнитопровода, и, таким образом, уменьшить объем магнитной передачи без снижения передаваемого момента.
- Филонов С.П., Зиборов А.Е., Ренкунас В.В. Тепловозы 2ТЭ10М, 3ТЭ10М: Устройство и работа. – М.: Транспорт, 1986. – 288 с.
- Филонов С.П., Гибалов А.И., Никитин Е.А. Тепловоз 2ТЭ116. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1996. – 334 с.
- Шаройко П.М., Середа В.Т. Гидравлические передачи тепловозов. – М.: Транспорт, 1969. – 160 с.
- Анализ особенностей эксплуатации частотно-регулируемого электропривода компрессора вагона метро / В.Н. Остриров, А.С. Анучин, А.А. Габидов, Д.В. Репецкий // Промышленная энергетика. – 2013. – № 9. – C. 14–16.
- Молоканов О.Н. Разработка оптимальной конструкции и методов расчета бесконтактной магнитной передачи. – М.: на правах рукописи, 2017. – 153 с.
- Magnetic gear: Radial force, cogging torque, skewing and optimization / G. Jungmayr, J. Loeffler, B. Winter, et al. // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). – Montreal, QC, Canada, 2015. – P. 898–905. DOI: 10.1109/ICEM.2016.7475900.
- Taritsyn D.S., Molokanov O.N., Orlov D.A. Development of Magnetic Transmission for Auxiliary Drives // 2025 7th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). – Moscow, 2025. – P. 1–5. DOI: 10.1109/REEPE63962.2025.10970764.
- Experimentally Testing a Halbach Rotor Coaxial Magnetic Gear With 279 Nm/L Torque Density / H.Y. Wong, H. Baninajar, B.W. Dechant, et al. // IEEE Trans. Energy Convers. – March 2023. – Vol. 38, issue 1. – P. 507–518. DOI: 10.1109/TEC.2022.3208320.
- Design, Fabrication, Test, and Benchmark of a Magnetically Geared Permanent Magnet Generator for Wind Power Generation / A.B. Kjaer, S. Korsgaard, S.S. Nielsen, et al. // IEEE Transactions on Energy Conversion. – March 2020. – Vol. 35, issue 1. – P. 24–32. DOI: 10.1109/TEC.2019.2951998.
- Jian L., Chau K.T. A Coaxial Magnetic Gear With Halbach Permanent-Magnet Arrays // IEEE Transactions on Energy Conversion. – 2010. – Vol. 25, no. 2. – P. 319–328. DOI: 10.1109/TEC.2010.2046997.
- Johnson M., Gardner M.C., Toliyat H.A. Analysis of axial field magnetic gears with Halbach arrays // 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). – Coeur d'Alene, ID, USA, 2015. – P. 108–114. DOI: 10.1049/cds2.12023.
- Huang H., Qu R., Bird J. Performance of Halbach Cycloidal Magnetic Gears with Respect to Torque Density and Gear Ratio // 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). – San Diego, CA, USA, 2019. – P. 1977–1984. DOI: 10.1109/IEMDC.2019.8785259.
- An Asymmetric Pole Coaxial Magnetic Gear With Unequal Halbach Arrays and Spoke Structure / L. Jing, Z. Huang, J. Chen, R. Qu // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2020. – Vol. 30, no. 4. – P. 1–5. DOI: 10.1109/TASC.2020.2968043.
- Меренцев С.П. Компрессоры локомотивов. – М.: Транспорт, 1974. – 80 с.
- Соколова Е.М., Мощинский Ю.А. Аналитический метод расчета магнитного редуктора // Актуальные проблемы электромеханики и электротехнологий АПЭЭТ-2017: сб. науч. тр. Междунар. конф., Екатеринбург, 13–16 ноября 2017 года. – Екатеринбург, 2017. – С. 127–130.