Применение специализированного программного обеспечения для расчета распределения магнитного поля в витках обмотки статора вентильно-индукторных электродвигателей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование: В статье дано описание процесса возникновения дополнительных потерь в крайних витках медных обмоток статора, базирующееся на физических законах. Приведены причины возникновения скин-эффекта в обмотках статора вентильно-индукторного двигателя (ВИД), а также выполнена оценка степени влияния скин-эффекта на дополнительные потери в ВИД средней и большой мощности. Построена 2D-модель сектора ВИД в программном пакете (ПП) «COMSOL Multiphysics» для дальнейшего уточнения распределения магнитного поля в витках обмотки статора и определения количественных значений дополнительных потерь. Для оценки достоверности полученных результатов приведено сравнение распределения магнитного поля ВИД конфигурации 12/8, полученного в программе «FEMM», и распределения магнитного поля сектора ВИД, построенного в ПП «COMSOL Multiphysics».

Цель: Расчет распределения магнитного поля в витках обмотки статора путем поэтапного построения 2D-модели сектора (полюсного деления) ВИД в ПП «COMSOL Multiphysics» для дальнейшего определения количественных значений дополнительных потерь, вызванных вихревыми токами в обмотках.

Методы: Для построения 2D-модели сектора ВИД использовался ПП «COMSOL Multiphysics». Для нахождения решения по распределению электромагнитных полей внутри моделируемой области использовался метод конечных элементов (МКЭ), для оценки корректности полученных результатов – метод сравнения с расчетами в программе «FEMM».

Результаты: Картины распределения магнитного поля ВИД, полученные в ПП «COMSOL Multiphysics» и в программе «FEMM», подтверждают наличие скин-эффекта в крайних витках обмотки статора, способного снизить энергоэффективность ВИД и вызвать локальный перегрев витков обмотки. В результате проведения моделирования картина распределения магнитного поля ВИД, полученная в программе «FEMM», аналогична картине распределения магнитного поля ВИД, полученной в ПП «COMSOL Multiphysics». Относительная погрешность значений магнитной индукции разных частей ВИД находится в пределах 3–7 %, что является допустимым и свидетельствует о корректности компьютерного моделирования в ПП «COMSOL Multiphysics».

Заключение: Картины распределения магнитного поля ВИД в ПП «COMSOL Multiphysics» и в программе «FEMM» подтверждают наличие скин-эффекта в крайних витках обмотки статора, что позволит проводить дальнейшие исследования в области определения численных значений дополнительных потерь с использованием 2D-модели, а также перейти от 2D-модели к 3D-модели ВИД.

Об авторах

Вячеслав Викторович Сироткин

Ростовский государственный университет путей сообщения

Автор, ответственный за переписку.
Email: viachieslav.sirotkin.93@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8645-0154
SPIN-код: 5002-6276

ассистент

Россия, Ростов-на-Дону

Дмитрий Александрович Пигалев

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: dima.pigaliov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6463-3390
SPIN-код: 1212-0696

инженер

Россия, Ростов-на-Дону

Иван Валерьевич Больших

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: ivan.bolshih@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9433-3356
SPIN-код: 9332-6389

кандидат технических наук, доцент

Россия, Ростов-на-Дону

Семен Сергеевич Черняев

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: MrZemen@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7882-6185
SPIN-код: 2234-9333

аспирант

Россия, Ростов-на-Дону

Список литературы

  1. Петрушин А.Д., Ворон О.А, Смачный Ю.П. Вентильно-индукторные машины для железнодорожного подвижного состава // Вестник «ВЭлНИИ». – 2005. – Вып. 1 (48). – С. 147−159. [Petrushin AD, Voron OA, Smachny YuP. Switched reluctance motors for railway rolling stock. Vestnik VElNII. 2005;1(48):147-159. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11717765
  2. Пахомин С.А., Прокопец А.И., Щербаков В.Г., Захаров В.И. К расчету добавочных потерь в тяговом индукторном двигателе // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. − 2010. − № 5. − С. 39−42. [Pakhomin SA, Prokopets AI, Shcherbakov VG, Zakharov VI. To the problem of calculation of additional losses in a traction switched reluctance motor. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika. Electromechanics. 2010;5:39-42. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17059154
  3. Сироткин В.В., Пигалев Д.А., Колмыкова М.Ю. Компьютерная модель для определения дополнительных потерь в крайних витках обмотки статора вентильно-индукторного двигателя // Сборник статей «Механика и трибология транспортных систем (МехТрибоТранс–2021). Ростов-на-Дону: ФГБОУ ВО РГУПС, 2021. – C. 141–145. [Sirotkin VV, Pigalev DA, Kolmykova MYu. Computer model for calculation of supplementary losses in the end winding turns of the stator of the switched reluctance motor. Collection of articles “Mechanics and tribology of transport systems” (MechTriboTrans-2021). Rostov-on-Don: RSTU; 2021. pр. 141-145. (In Russ.)]. doi: 10.46973/978-5-907295-52-0_2021_141
  4. Нгуен Куанг Кхоа. Методика моделирования вентильно-индукторных двигателей с помощью программ Elcut и Matlab Simulink // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2016. – № 2. − С. 73−79. [Nguyen Quang Khoa. Method of modeling of switched reluctance motor using Elcut and Matlab Simulink. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika. Electromechanics. 2016;2:73-79. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25767917
  5. Кашуба А.В. Оптимизационный метод формирования геометрических размеров зубцовой зоны вентильно-индукторного двигателя // Транспортные системы и технологии. – 2020 – Т. 6 – № 1 – С. 30–47. doi: 10.17816/transsyst20206130-47. [Kashuba AV. Optimization Method for calculating the Geometrical Dimensions of the tooth Zone of the switched reluctance motor. Transportation Systems and Technology. 2020;6(1):30-47. (In Russ.)]. doi: 10.17816/transsyst20206130-47
  6. Чавычалов М.В., Черняев С.С., Пигалев Д.А. Моделирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в программе MAXWELL ANSOFT // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. − 2018. – № 3 (спецвыпуск). − С. 38−44. [Chavychalov MV, Chernyaev SS, Pigalev DA. Modeling of an asynchronous motor with a squirrel-cage rotor in the MAXWELL ANSOFT program. Trudy Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya. 2018;3(special issue):38-44. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36474361
  7. Кашуба А.В. Особенности компьютерного моделирования электромагнитных процессов в вентильно-индукторном двигателе // Сборник научных трудов «Транспорт: наука, образование, производство» («Транспорт-2017»). Т. 1. Технические науки. − Ростов-на-Дону: ФГБОУ ВО РГУПС, 2017. − С. 145−149. [Kashuba AV. Features of computer modeling of electromagnetic processes in a switched reluctance motor. Collection of scientific papers “Transport: science, education, production” (“Transport-2017”). T. 1. Technical sciences. Rostov-on-Don: RSTU; 2017. рp. 145-149. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32624906&pff=1
  8. Сироткин В.В. Исследование статических характеристик магнитных систем вентильно-индукторных двигателей // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. − 2020. − № 3 (52). − С. 38−44. [Sirotkin VV. Research of static characteristics of magnetic systems of switched reluctance motor. Trudy Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya. 2020;3(52):38-44. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44013146
  9. Grebennikov NV, Talakhadze TZ, Kashuba AV. Equivalent magnetic circuit for switched reluctance motor with strong mutual coupling between phases, 2019. 26th International workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED); Moscow, Russia; 2019. рр. 1-5. doi: 10.1109/IWED.2019.8664226
  10. Finite Element Method Magnetics: HomePage [Internet]. [cited 2022 november 13]. Available from: http://www.femm.info/wiki/HomePage
  11. Шабанов А.С., Нейман В.Ю. Применение пакетов программ FEMM и COMSOL Multiphysics в задачах расчета линейных электромагнитных двигателей // Современные материалы, техника и технологии. − 2017. − № 5 (13). − С. 96−100. [Shabanov AS, Neiman VYu. Application of FEMM and COMSOL Multiphysics software packages in the problems of calculating linear electromagnetic motors. Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii. 2017;5(13):96-100. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30363053
  12. Сайт компании COMSOL. [COMSOL website. [Internet]. (In Russ.)]. Ссылка активна на 23.10.2022. Доступно по: http://www.comsol.ru
  13. Щербаков В.Г., Петрушин А.Д., Хоменко Б.И. и др. Тяговые электрические машины: учеб. пособие. – М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. – 641 c. [Shherbakov VG, Petrushin AD, Homenko BI, et al. Tjagovye jelektricheskie mashiny. Moscow: “Uchebno-metodicheskij centr po obrazovaniju na zheleznodorozhnom transporte”; 2015. 641 p. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=29343796
  14. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: учебник для вузов. – М.: Юрайт, 2012. – 767 с. [Kopylov IP. Proektirovanie elektricheskih mashin: uchebnik dlya vuzov. Moscow: YUrajt; 2012. 767 p. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=20243677
  15. Krishnan R. Switched reluctance motor drives. Modeling, simulation, analysis, design, and applications. Virginia: The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering; 2001. 416 p. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.473.45&rep=rep1&type=pdf
  16. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели: учеб. пособие. – М.: МЭИ, 2003. – 70 с. [Kuznetsov VA, Kuzmichev VA. Ventil'no-induktornyye dvigateli: uchebnoe posobie. Moscow: MEI; 2003. 70 p. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://www.studmed.ru/kuznecov-va-kuzmichev-va-ventilno-induktornye-dvigateli_5961d6f8f15.html
  17. Пигалев Д.А., Сироткин В.В., Черняев С.С. Определение дополнительных потерь в обмотках вентильно-индукторных машин // Cборник научных трудов «Транспорт: наука, образование, производство» («Транспорт-2020»). Т. 2. Технические науки. Ростов-на-Дону: ФГБОУ ВО РГУПС, 2020. − С. 159−162. [Pigalev DA, Sirotkin VV, Chernyaev SS. Determination of additional losses in the windings of switched reluctance motors. Collection of scientific papers “Transport: science, education, production” (“Transport-2020”). T. 2. Technical sciences. Rostov-on-Don: RSTU; 2020. рp. 159-162. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступно по: https://elibrary.ru/item.asp?id=44143256&pff=1
  18. Каталог электродвигателей Новочеркасского электровозостроительного завода. [Katalog elektrodvigatelej Novocherkasskogo elektrovozostroitel'nogo zavoda. (In Russ.)]. Ссылка активна на 13.11.2022. Доступна по: http://w-ww.rcit.su/techinfoE0.html

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Преимущества вентильно-индукторного двигателя

Скачать (69KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Физическая картина возникновения скин-эффекта

Скачать (34KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Область возникновения скин-эффекта в крайних витках обмотки статора вентильно-индукторного двигателя

Скачать (32KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структурная схема поэтапного построения 2D-модели сектора ВИД

Скачать (51KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Подбор шага сетки конечных элементов для корректной работы 2D-модели сектора ВИД в зависимости от конструктивных особенностей

Скачать (89KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение магнитного поля ВИД, полученное в программе «FEMM» и в ПП «COMSOL Multiphysics»: а – в программе «FEMM»; б – в ПП «COMSOL Multiphysics» (сектор ВИД)

Скачать (674KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение численных значений магнитной индукции в двух точках в зависимости от расстояния до воздушного зазора между статором и ротором ВИД: а – в программе «FEMM»; б – в ПП «COMSOL Multiphysics» (сектор ВИД)

Скачать (401KB)
Метаданные

© Сироткин В.В., Пигалев Д.А., Больших И.В., Черняев С.С., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».