Application of specialized software for calculation of magnetic field in the turns of switched reluctance motors stator windings
- Authors: Sirotkin V.V.1, Pigalev D.A.1, Bol'shikh I.V.1, Chernyaev S.S.1
-
Affiliations:
- Rostov State Transport University
- Issue: Vol 8, No 4 (2022)
- Pages: 58-73
- Section: Original studies
- URL: https://ogarev-online.ru/transj/article/view/126650
- DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20228458-73
- ID: 126650
Cite item
Full Text
Abstract
Background: The article describes the process of occurrence of additional losses in the extreme turns of the copper stator windings, based on physical laws. The causes of the skin effect in the stator windings of a switched reluctance motor (SRM) are presented, an assessment of the skin effect influence degree on additional losses in the SRM of medium and high power. 2D-model of the SRM sector in “COMSOL Multiphysics” software package is created to specify distribution of magnetic field in the SRM stator windings and to quantify the amount of additional losses. А comparison of the magnetic field distribution of the SRM configuration 12/8 obtained in the “FEMM” program and the SRM magnetic field distribution built in “COMSOL Multiphysics” software package is presented to assess the reliability of the results.
Aim: Calculation of the magnetic field distribution in the turns of the stator winding by building a phased 2D-model of the SRM sector (pole division) in “COMSOL Multiphysics” software package to quantify the amount of additional losses caused by eddy currents in the windings.
Methods: “COMSOL Multiphysics” software package is used to build 2D-sector of the SRM. To obtain results on the distribution of electromagnetic fields within the simulated area, finite element methods (FEM) are used to estimate income adjustments, the results are compared with calculations in the “FEMM” program.
Results: The patterns of the magnetic field distribution of the SRM obtained in “COMSOL Multiphysics” software package and in “FEMM” program confirm the presence of a skin-effect in the extreme turns of the stator winding. It can reduce the energy efficiency of the SRM and cause local overheating of the winding turns. As a result of the simulation, the picture of the magnetic field distribution of the SRM obtained in the “FEMM” program is similar to the picture of the magnetic field distribution of the SRM obtained in “COMSOL Multiphysics” software package. Ratio error of the values of the magnetic induction of different parts of the SRM is 3–7 %. It is acceptable and it indicates the correctness of computer modeling in “COMSOL Multiphysics” software package.
Conclusion: The patterns of the magnetic field distribution SRM in “COMSOL Multiphysics” software package and in the “FEMM” program confirm the presence of the skin-effect in the extreme turns of the stator winding, which will allow further research in the field of determining the numerical values of additional losses using 2D-model, and proceed from 2D-model to 3D-model of the SRM.
Full Text
##article.viewOnOriginalSite##About the authors
Vyacheslav V. Sirotkin
Rostov State Transport University
Author for correspondence.
Email: viachieslav.sirotkin.93@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8645-0154
SPIN-code: 5002-6276
Assistant
Russian Federation, Rostov-on-DonDmitriy A. Pigalev
Rostov State Transport University
Email: dima.pigaliov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6463-3390
SPIN-code: 1212-0696
Engineer
Russian Federation, Rostov-on-DonIvan V. Bol'shikh
Rostov State Transport University
Email: ivan.bolshih@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9433-3356
SPIN-code: 9332-6389
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
Russian Federation, Rostov-on-DonSemyon S. Chernyaev
Rostov State Transport University
Email: MrZemen@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7882-6185
SPIN-code: 2234-9333
Postgraduate
Russian Federation, Rostov-on-DonReferences
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Finite Element Method Magnetics: HomePage [Internet]. [cited 2022 november 13]. Available from: http://www.femm.info/wiki/HomePage
- 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
- Сайт компании COMSOL. [COMSOL website. [Internet]. (In Russ.)]. Ссылка активна на 23.10.2022. Доступно по: http://www.comsol.ru
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
Supplementary files
