Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин

ЦЕЛЬ. Рассмотреть технологии изготовления постоянных магнитов и области их применения. Выявить мировые тренды по изменению спроса на редкоземельные металлы. Изучить перспективы развития аддитивного производства полимерных магнитных материалов. МЕТОДЫ. При изучении данного вопроса использовался анализ широкого круга отечественных и зарубежных источников научной литературы. РЕЗУЛЬТАТЫ. Изучены перспективные технологии аддитивного производства полимерных магнитных материалов для различных сфер применения. Обозначена необходимость установить взаимосвязь между свойствами исходного материала, диаметрами экструзионных сопел, параметрами печати, а также механическими и функциональными свойствами получаемых магнитов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В статье представлен всесторонний обзор последних достижений в области применения аддитивного производства, оптимизации топологии и их интеграции для электрических машин и их магнитных компонентов. Технологии аддитивного производства, такие как 3D-печать, BAAM – технология имеют потенциальные преимущества, такие как снижение производственных затрат, устранение необходимости в изготовлении пресс-форм, возможность создавать постоянные магниты с полевыми профилями и магнитными свойствами, которые невозможно получить с помощью современных методов. Рассмотренные технологии могут использоваться в качестве инструмента при проектировании и разработке инновационных магнитов для электрических двигателей, которые позволят наиболее полно использовать магнитный поток и тем самым повысить энергоэффективность приводных систем. Это позволит быстро создавать прототипы деталей и уменьшит время выхода на рынок новых продуктов.

1. Brown D.N., Wu Z., He F. et al. Dysprosium-free melt-spun permanent magnets // J. Phys.: Condens. Matter. 2014. V. 26. pp. 1–8.

2. Владимиров О.В., Ившин И.В., Низамиев М. Ф. и др. Стенд для послеремонтных испытаний асинхронных двигателей напряжением до 1000 В // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 3-4. С. 58-66.

3. Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И., Петров Т.И. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободно-поршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 38-48.

4. Green J.A. The defense implications of rare earth shortages // National center for policy analysis [Электронный ресурс]. URL: http://www.ncpa.org/pub/ ib112 (дата обращения: 17.03.2021).

5. Buchert M., Goldmann D., Schüler-Hainsch, E., Treffer, F. et al.: Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität Untersuchung im Rahmen des Projektes «Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen - Integrierte Betrachtung von Fahrzeugnutzung und Energiewirtschaft – OPTUM» [Resource efficiency and resource-policy aspects of the electromobility system - Study under the auspices of the project Optimisation of environmental potential from electric vehicles - integrated assessment of vehicle use and the energy industry – OPTUM]; Oeko-Institut e.V.; TU Clausthal, IFAD, Daimler AG, Umicore AG & Co. KG, 2012.

6. Грачева Е.И., Абдуллазянов Р.Э., Алимова А.Н. Анализ и способы расчета потерь активной мощности и электроэнергии в низковольтных цеховых сетях // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. № 4(40). С. 53-65.

7. Петров Т.И., Сафин А.Р., Ившин И.В. и др. Модель системы управления станком-качалкой на основе синхронных двигателей с бездатчиковым методом // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 7-8. С. 107- 116.

8. Сафин А.Р., Хуснутдинов Р.Р., Копылов А.М., и др. Разработка метода топологической оптимизации электрических машин на основе генетического алгоритма // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. № 4(40). С. 77-85.

9. Гибадуллин Р.Р., Цветков А.Н., Ившин И.В., и др. Бездатчиковый метод контроля положения подвижного элемента электрической машины возвратно- поступательного действия // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 7-8. С. 133-143.

10. Elwert T. et al. Recycling of ndfeb magnets from electric drive motors of (hybrid) electric vehicles //Journal of Sustainable Metallurgy. 2017. Т. 3. №. 1. С. 108-121. https://doi.org/10.1007/s40831-016-0085-1

11. Yang Y. et al. REE recovery from end-of-life NdFeB permanent magnet scrap: a critical review //Journal of Sustainable Metallurgy. 2017. Т. 3. №. 1. С. 122-149. https://doi.org/10.1007/s40831-016-0090-4

12. Kumari A. et al. Recovery of rare earths from spent NdFeB magnets of wind turbine: Leaching and kinetic aspects //Waste Management. 2018. Т. 75. С. 486-498.

13. Yu Y. et al. The price evolution of wind turbines in China: A study based on the modified multi-factor learning curve //Renewable Energy. – 2017. – Т. 103. – С. 522-536.

14. Ganesan A.U. et al. Performance Analysis of Single-Phase Electrical Machine for Military Applications // Energies. 2019. Т. 12. №. 12. С. 2285.

15. Huber C. et al. 3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer // Applied Physics Letters. 2016. Т. 109. №. 16. С. 162401.

16. Khazdozian H.A. et al. Recycled Sm-Co bonded magnet filaments for 3D printing of magnets // AIP Advances. 2018. Т. 8. №. 5. С. 056722.

17. Yang F. et al. 3D printing of NdFeB bonded magnets with SrFe12O19 addition // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Т. 779. С. 900-907.

18. Li L. et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets // Scientific reports. 2016. Т. 6. №. 1. С. 1-7.

19. Li L. et al. Additive manufacturing of near-net-shape bonded magnets: Prospects and challenges // Scripta Materialia. 2017. Т. 135. С. 100-104.

20. Paranthaman M. P. et al. Binder jetting: a novel NdFeB bonded magnet fabrication process // Jom. 2016. Т. 68. №. 7. С. 1978-1982.

21. Yamazaki K., Mukaiyama H., Daniel L. Effects of multi-axial mechanical stress on loss characteristics of electrical steel sheets and interior permanent magnet machines // IEEE Transactions on Magnetics. 2017. Т. 54. №. 3. С. 1-4.

22. Yamazaki K. et al. Characteristics improvement of claw-pole alternators by reducing armature reaction // 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2017. С. 1-6.

23. Kustas A.B. et al. Characterization of the Fe-Co-1.5 V soft ferromagnetic alloy processed by Laser Engineered Net Shaping (LENS) // Additive Manufacturing. 2018. Т. 21. С. 41-52.

24. Копылов А.М., Сафин А.Р., Гибадуллин Р.Р. и др. Разработка электрической машины возвратно-поступательного действия модульного типа // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 9-10. С. 126-132.

25. Geng J. et al. Bulk combinatorial synthesis and high throughput characterization for rapid assessment of magnetic materials: Application of laser engineered net shaping (lens™) // Jom. 2016. V. 68. №. 7. pp. 1972-1977.

26. Грачева Е.И., Садыков Р.Р., Хуснутдинов Р.Р., и др. Надежность и компоновка низковольтных распределительных устройств внутрицехового электроснабжения // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11. № 1(41). С. 3-9.

27. Mikler C.V. et al. Laser additive processing of Ni-Fe-V and Ni-Fe-Mo permalloys: microstructure and magnetic properties // Materials Letters. 2017. V. 192. pp. 9-11.

28. Грачева Е.И., Алимова А.Н. Возможные погрешности расчетов потерь электроэнергии в цеховых промышленных сетях // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 81-92.

29. Garibaldi M. et al. Free-form design of electrical machine rotor cores for production using additive manufacturing // Journal of Mechanical Design. 2019. V.141. №. 7.

30. McGarry C., McDonald A., Alotaibi N. Optimisation of additively manufactured permanent magnets for wind turbine generators // 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2019. pp. 656-663.

31. Silbernagel C. Investigation of the design, manufacture and testing of additively manufactured coils for electric motor applications : дис. University of Nottingham, 2019.

32. Wu F., EL-Refaie A.M. Toward additively manufactured electrical machines: opportunities and challenges // IEEE Transactions on Industry Applications. 2019. V. 56. №. 2. pp 1306-1320.

33. Wrobel R., Mecrow B.A comprehensive review of additive manufacturing in construction of electrical machines // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020. V. 35. №. 2. pp. 1054-1064.

34. Грачева Е.И., Садыков Р.Р., Хуснутдинов Р.Р., и др. Исследование параметров надежности низковольтных коммутационных аппаратов по эксплуатационным данным промышленных предприятий // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 1-2. С. 10-18.

35. Krings A. et al. Soft magnetic material status and trends in electric machines //IEEE transactions on industrial electronics. 2016. V. 64. №. 3. pp. 2405-2414.

36. Libert F., Soulard J. Manufacturing methods of stator cores with concentrated windings // 2006 3rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives- PEMD 2006. IET, 2006. pp. 676-680.

37. Jack A.G. et al. Permanent-magnet machines with powdered iron cores and prepressed windings // IEEE Transactions on industry applications. 2000. V. 36. №. 4. pp. 1077- 1084.

38. Zhang Z.Y. et al. Metal 3D printing of synchronous reluctance motor //2016 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). IEEE, 2016. Pp. 1125-1128.

39. Zhang Z.Y. et al. Characteristic comparison of transversally laminated anisotropic synchronous reluctance motor fabrication based on 2D lamination and 3D printing //2015 18th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2015. pp. 894- 897.

40. Tseng G.M. et al. Application of additive manufacturing for low torque ripple of 6/4 switched reluctance motor // 2016 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2016. Pp. 1-4.

41. Garibaldi M. et al. Relationship between laser energy input, microstructures and magnetic properties of selective laser melted Fe-6.9% wt Si soft magnets //Materials Characterization. 2018. V. 143. Pp.144-151.

42. Jhong K.J., Huang W.C., Lee W.H. Microstructure and magnetic properties of magnetic material fabricated by selective laser melting // Physics Procedia. 2016. V. 83. pp. 818-824.

43. Lammers S. et al. Additive Manufacturing of a lightweight rotor for a permanent magnet synchronous machine // 2016 6th International Electric Drives Production Conference (EDPC). IEEE, 2016. Pp. 41-45.

44. Garibaldi M. et al. Effect of annealing on the microstructure and magnetic properties of soft magnetic Fe-Si produced via laser additive manufacturing // Scripta Materialia. 2018. V. 142. Pp. 121-125.

45. Сафин А.Р., Петров Т.И., Копылов А.М. и др. Метод проектирования и топологической оптимизации роторов синхронных двигателей с постоянными магнитами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. № 2(46). С. 45-53.

46. Garibaldi M. et al. Metallurgy of high-silicon steel parts produced using Selective Laser Melting // Acta Materialia. 2016. V. 110. pp. 207-216.

47. Li L. et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets // Scientific reports. 2016. V. 6. №. 1. pp. 1-7.

48. Urban N., Huber F., Franke J. Influences of process parameters on rare earth magnets produced by laser beam melting // 2017 7th International Electric Drives Production Conference (EDPC). IEEE, 2017. Pp. 1-5.

49. Compton B. G. et al. Direct-write 3D printing of NdFeB bonded magnets //Materials and Manufacturing Processes. 2018. V. 33. №. 1. pp. 109-113.

50. Paranthaman M. P. et al. Binder jetting: a novel NdFeB bonded magnet fabrication process // Jom.2016. V. 68. №. 7. Pp. 1978-1982.

51. Li L. et al. A novel method combining additive manufacturing and alloy infiltration for NdFeB bonded magnet fabrication // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. – V. 438. pp. 163-167.

52. Li L. et al. Additive manufacturing of near-net-shape bonded magnets: Prospects and challenges // Scripta Materialia. 2017. V. 135. Pp. 100-104.

53. Li L. et al. Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B nylon bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2018. V. 21. pp. 495-500.

54. White E.M. H. et al. Net shape processing of alnico magnets by additive manufacturing // IEEE Transactions on Magnetics. 2017. V 53. №. 11. pp. 1-6.

55. Pham T.Q., Foster S.N. Additive Manufacturing of Non-homogeneous Magnetic Cores for Electrical Machines Opportunities and Challenges // 2020 International Conference on Electrical Machines (ICEM). IEEE, 2020. V 1. Pp. 1623-1629.

56. McGarry C., McDonald A., Alotaibi N. Optimisation of additively manufactured permanent magnets for wind turbine generators // 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2019. pp. 656-663.

57. Грачева Е.И., Горлов А.Н., Шакурова З.М. Анализ и оценка экономии электроэнергии в системах внутризаводского электроснабжения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 2. С. 65-74.

58. Safin A., Petrov T. Topological optimization of the rotors of permanent magnet synchronous motors // E3S Web of Conferences. EDP Sciences, 2020. V. 220.

59. Petrov T., Safin A. Modification of the synchronous motor model for topological optimization //E3S Web of Conferences. EDP Sciences, 2020. V. 178. pp. 01016.

60. Hermann A.N.A., Mijatovic N., Henriksen M. L. Topology optimisation of PMSM rotor for pump application // 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). IEEE, 2016. pp. 2119-2125.

61. Petrov T., Safin A. Theoretical aspects of optimization synchronous machine rotors // E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2020. V. 178. pp. 01049.

62. Guo F. et al. Multimaterial Magneto-Structural Topology Optimization of Wound Field Synchronous Machine Rotors // IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. V. 56. №. 4. pp. 3656-3667.

63. Liu L. et al. Design and additive manufacturing of multipermeability magnetic cores // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. V. 54. №. 4. pp. 3541-3547.

64. Garibaldi M. et al. Free-form design of electrical machine rotor cores for production using additive manufacturing // Journal of Mechanical Design. 2019. V. 141. №. 7.

65. Studnitzky T. et al. 3D Screen Printing-Mass Production for Metals, Ceramics and its Combinations // Proceedings of the Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference DDMC. 2016. С. 9-13.

66. Dadabaev S.T., Gracheva E.I., Dadabaeva Z.A. Study of Starting Transition Processes of Asynchronous Motor at a Lowered Mains Voltage Frequency // International Conference Sustainable Energy Systems: innovative perspectives. Springer, Cham, 2020. pp 206-213.