Научная статья на тему 'ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В РЕАКТИВНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИНАХ С ФАЗНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ'

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В РЕАКТИВНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИНАХ С ФАЗНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
2
1
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
магнитные потери / реактивная индукторная машина / электрическая машина / взаимное влияние фаз / magnetic losses / reluctance inductor machine / electric machine / mutual influence of phases

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Гребенников Николай Вячеславович, Шевкунова Анастасия Владимировна, Ольховатов Дмитрий Викторович

В статье рассматривается определение магнитных потерь для класса реактивных индукторных машин с фазным взаимодействием (РИМФВ). Произведен расчет магнитной системы РИМФВ методом конечных элементов и определена зависимость магнитной индукции в функции углового положения ротора. Предлагается математическая модель расчета магнитных потерь, основанная на новом подходе, учитывающем частоту перемагничивания основных участков магнитопровода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Гребенников Николай Вячеславович, Шевкунова Анастасия Владимировна, Ольховатов Дмитрий Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DETERMINATION OF MAGNETIC LOSSES IN MUTUALLY COUPLED SWITCHED RELUCTANCE MACHINES

The article discusses the determination of magnetic losses for the class of mutually coupled switched reluctance machines (MCSRM). The MCSRM magnetic system was calculated using the finite element method and the dependence of magnetic induction as a function of the angular position of the rotor was determined. A mathematical model for calculating magnetic losses is proposed, based on a new approach that takes into account the frequency of magnetization reversal of the main sections of the magnetic circuit.

Текст научной работы на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В РЕАКТИВНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИНАХ С ФАЗНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.314

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-364-365

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В РЕАКТИВНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИНАХ С ФАЗНЫМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ

Н.В. Гребенников, А.В. Шевкунова, Д.В. Ольховатов

В статье рассматривается определение магнитных потерь для класса реактивных индукторных машин с фазным взаимодействием (РИМФВ). Произведен расчет магнитной системы РИМФВ методом конечных элементов и определена зависимость магнитной индукции в функции углового положения ротора. Предлагается математическая модель расчета магнитных потерь, основанная на новом подходе, учитывающем частоту перемаг-ничивания основных участков магнитопровода.

Ключевые слова: магнитные потери, реактивная индукторная машина, электрическая машина, взаимное влияние фаз.

Реактивные индукторные машины с фазным взаимодействием (РИМФВ) представляют собой уникальный класс электрических машин [1], характеризующийся особым способом соединения фазных обмоток, который обеспечивает взаимное влияние между ними [2]. В таких машинах фазные обмотки подключаются таким образом, что магнитный поток, создаваемый каждой из них, полностью замыкается через зубцы статора соседних фаз [3]. Этот механизм межфазного взаимодействия играет ключевую роль в формировании магнитного поля и обеспечивает оптимальное использование магнитной системы электрической машины, что позволяет повысить электромагнитные характеристики и эффективность электромеханического преобразования энергии.

Магнитный поток в РИМФВ имеет несинусоидальную форму, что отличает их от других типов электрических машин [4]. Это связано с особенностями конструкции и работы таких машин, а также с неоднородностью магнитного потока в различных участках магнитопровода. Исследования формы магнитной индукции в различных участках магнитопровода РИМФВ проводились с использованием метода конечных элементов, который позволяет учесть сложные взаимосвязи между геометрией машины, её материалами и электромагнитными параметрами. Исходными данными для проведения расчетов являются: магнитная система РИМФВ, материал магнитопровода, зависимости фазных токов от углового положения ротора. Расчет в программе FEMM (рис. 1.) с применением метода конечных элементов позволил определить изменение магнитной индукции для основных участков магнитопровода РИМФВ (зубец статора, ярмо статора, зубец ротора, ярмо ротора) в зависимости от углового положения (рис. 2.).

Рис. 1. Определение магнитной индукции в программе FEMM

При разработке магнитной системы, с целью определения коэффициента полезного действия РИМФВ, необходимо определить потери, возникающие в магнитопроводе, которые в общем виде представляют сумму потерь в результате электромагнитных явлений, таких как гистерезис и вихревые токи [5]. Эти потери в основном зависят

от частоты и формы изменения магнитной индукции в магнитопроводе [6], а также от его материала и геометрии [7]. Для эффективного проектирования [8] и оптимизации магнитной системы реактивных индукторных машин [9-10] необходимо учитывать как общие потери, так и их распределение по различным участкам магнитопровода.

1.4

к

^ 1.2

^ 1 и 1

и

I °.8 § 0.6

¡3

я 0.4

I °.2

0

1.4

к

^ 1.2 «

я 1 и 1

и

I °.8 § 0.6

¡5

к 0.4 я

I 0.2

60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Угловое положение ротора, эл.град.

120 180 240 300 360 420 480 540 600 Угловое положение ротора, эл.град.

720

0

0

60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Угловое положение ротора, эл.град.

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4

0 60

120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Угловое положение ротора, эл.град.

в г

Рис. 2. Магнитная индукция участков магнитопровода: а - зубец статора; б - ярмо статора; в - зубец ротора;

г - ярмо ротора

Гистерезисные потери связаны с изменением магнитной доменной структуры в ходе циклического намагничивания и перемагничивания материала, в результате чего происходит потеря энергии магнитного поля. Эти механизмы приводят к образованию петли гистерезиса, в которой заключается ключевая информация о потерях материала. Рассмотрение гистерезисных потерь требует учета изменения магнитной индукции и свойств материала магнитопровода. Для оценки эффективности магнитопровода необходимо вычислить площадь петли гистерезиса, которая непосредственно связана с потерями на гистерезис в материале. Формула для расчета гистерезисных потерь определяет величину энергии, расходуемую на магнитную гистерезисную диссипацию в единицу массы материала [11]:

-

рИу.ч = , Р

где Б - площадь петли гистерезиса, Тл-А/м; / - частота для участка магнитопровода, Гц; р - плотность материала магнитопровода, кг/м3.

Для определения гистерезисных потерь магнитопровода, условно разделенного на участки (зубцы статора/ротора, ярмо статора/ротора):

(1)

кРьу!=— Е т ■ ^ ■ Л'

(2)

р 1—1

где I - участок магнитопровода; т^ - масса рассматриваемого участка магнитопровода, кг.

Потери от вихревых токов [12] возникают от паразитных токов в магнитопроводе электрических машин, определение которых позволяет оценить эффективность использования материала магнитопровода и провести сравнительный анализ различных конструкций и материалов с точки зрения их способности минимизировать потери от вихревых токов

Ре^у (0 — К 2 , (3)

где В - магнитная индукция, Тл; ке - коэффициент потерь вихревых токов [12], который определяется в соответствии с формулой :

ке =-

з2

(4)

12 • г^-е ■ р

где 8 - толщина листа, м; г^е - электрическое сопротивление материала магнитопровода, Ом.

Тогда выражение для определения потерь от вихревых токов для магнитопровода электрической маши-

ны:

Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 4

где Т - период изменения магнитной индукции в участке магнитопровода; Б, - значение магнитной индукции в участке магнитопровода.

Для реактивных индукторных машин частота перемагничивания зубцов статора определяется частотой фазного тока в зависимости от частоты вращения ротора

п

fs — ^, (6)

60

где п - частота вращения ротора, об/мин; NR - число зубцов ротора. Частота перемагничивания зубцов ротора

^ - Ь .Ж.-^ (7)

^ ^ 2• NR 120

где Ns - число зубцов статора.

Для предварительной оценки магнитных потерь на этапе эскизного проектирования РИМ, когда частота и форма магнитной индукции участков магнитопровода еще неизвестна, то возможно использовать, с учетом классического подхода [13], следующие формулы:

р -^7272Е. (8)

Бпfп у-1

где к1077 - удельные потери в стали при магнитной индукции Бп с частотой ^ ; у - номер гармонической составляющей магнитной индукции, fу - частота гармонической составляющей, Бту - амплитуда магнитной индукции

гармонической составляющей.

Тогда для магнитопровода статора:

кЫ7 (

ps = kSB^Y

Bn

Ш BymSy + BSppmSp ^ (9)

где fs - частота перемагничивания статора, Usb - коэффициент учитывающий амплитуду основной гармоники магнитной индукции. В соответствии со спектральным анализом функции магнитной индукции (см. рис.2) ksB можно принять равным 0,5; Bsp , Bsy - максимальное значение магнитной индукции в зубце и ярме статора, msp , msy - масса зубцов и ярма статора.

Для магнитопровода ротора магнитные потери будут определяться через сумму потерь от первых четырех гармоник формы изменения магнитной индукции, тогда формула примет вид:

Pr =-%T (kl + k2)fl + (k2 + k3 + 4k4f2 + 2k3fsfr ^blymRy + b2RpmRp ) (10)

Bnfn

где fs , fR - частота перемагничивания статора / ротора; ki, k2 , k3 , k4 - коэффициенты учитывающие амплитуду соответствующей гармоники магнитной индукции. В соответствии со спектральным анализом функции магнитной индукции (см. рис.2) принимаем ki = 0,55, k2 = 0,18, k3 = 0,15, k4 = 0,12; BRp ,BRy - максимальное значение магнитной индукции в зубце и ярме ротора; mRp , mRy - масса зубцов и ярма ротора.

Полные магнитные потери будут определяться как сумма магнитных потерь в статоре и в роторе:

Pm = Ps + Pr . (11)

Полученные данные о форме магнитной индукции и разработанный метод определения магнитных потерь в РИМФ могут быть использованы для оптимизации и улучшения конструкции и работы данного типа электрических машин с целью повышения их производительности и энергоэффективности.

Список литературы

1. Azer P. Mutually Coupled Switched Reluctance Motor: Fundamentals, Control, Modeling, State of the Art Review and Future Trends / P. Azer, B. Bilgin and A. Emadi // IEEE Access, V. 7, 2019. P. 100099-100112.

2. Kabir M.A. Design of mutually coupled switched reluctance motors (MCSRMs) for extended speed applications using 3-phase standard inverters / M. A. Kabir and I. Husain // IEEE Trans. on Energy Conversion, V. 31, no. 2, 2016. P. 436-445.

3. Grebennikov N. Equivalent Magnetic Circuit for Switched Reluctance Motor with Strong Mutual Coupling between Phases / N. Grebennikov, T. Talakhadze, A. Kashuba // 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives, IWED 2019. Moscow, 2019. P. 8664226.

4. Яицкова Н.М. Модернизация многошпиндельных токарных станков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 617-620.

5. Пахомин С.А. Магнитные потери в статоре вентильного двигателя с постоянными магнитами / С. А. Пахомин, Л. С. Пахомин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2017. Т. 60, № 5. С. 18-24.

6. Расчет потерь в магнитопроводе высокооборотного вентильно-индукторного электрогенератора / П. Г. Колпахчьян, Б. Н. Лобов, С. А. Пахомин [и др.] // Электротехника. 2023. № 6. С. 47-53.

7. Чавычалов М.В. Оптимизация формы зубца ротора вентильно-индукторной электрической машины / М. В. Чавычалов, А. В. Шевкунова, Н. М. Яицкова // Электронный сетевой политематический журнал "Научные труды КубГТУ". 2023. № 4. С. 119-126.

8. Шевкунова А.В. Определение оптимальных размеров зубцовой зоны тягового вентильно-индукторного электродвигателя / А. В. Шевкунова, М. В. Чавычалов, Н. М. Яицкова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 568-573. DOI 10.24412/2071-6168-2022-2-568-574.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Петрушин А.Д. Оптимизация активной части вентильно-индукторного электродвигателя / А. Д. Петру-шин, А. В. Кашуба // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 1(61). С. 61-65.

10. Шутемов С.В. Применение корреляционного анализа для исследования взаимосвязи геометрических размеров магнитной системы вентильно-индукторного двигателя и электромагнитного момента / С. В. Шутемов, А. В. Шевкунова // Chronos. 2020. № 10(49). С. 60-64.

11. Torrent M., Andrada P., Blanque B., Martinez E., Perat J.I., Sanchez J.A. Method for estimating core losses in switched reluctance motors / M. Torrent, P. Andrada, B. Blanque [et al.] // European transactions on electrical power, vol. 21, 2011. P. 757-771.

12. Lamerraner J., Stafl M. Eddy currents, ILIFE Books, London published in 1966.

13. Копылов И.П., Горяинов Ф.А., Клоков Б.К. и др. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для вузов; под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980. 496 с.

Гребенников Николай Вячеславович, д-р техн. наук, доцент, grebennikovnv@mail. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,

Шевкунова Анастасия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,

Ольховатов Дмитрий Викторович, канд. техн. наук, доцент, olkhovatovdmitry@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения

DETERMINATION OF MAGNETIC LOSSES IN MUTUALLY COUPLED SWITCHED RELUCTANCE MACHINES

N.V. Grebennikov, A. V. Shevkunova, D.V. Olkhovatov

The article discusses the determination of magnetic losses for the class of mutually coupled switched reluctance machines (MCSRM). The MCSRM magnetic system was calculated using the finite element method and the dependence of magnetic induction as a function of the angular position of the rotor was determined. A mathematical model for calculating magnetic losses is proposed, based on a new approach that takes into account the frequency of magnetization reversal of the main sections of the magnetic circuit.

Key words: magnetic losses, reluctance inductor machine, electric machine, mutual influence of phases.

Grebennikov Nikolay Vyachaslavovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,

Shevkunova Anastasia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,

Olkhovatov Dmitry Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, olkhovatovdmitry@gmail. com, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University

УДК 621.313

Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-367-368 АНАЛИЗ ТИПОВ ПРИВОДОВ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Ю.А. Макаричев, Я.А. Ратцев, О.В. Пантюхин

В статье проведен анализ достоинств и недостатков различных типов приводов линейного перемещения для системы позиционирования и стабилизации оптико-механической платформы авиационного применения. Показано, что для этой цели наиболее эффективным является применение линейных электроприводов прямого действия. Для обозначенной задачи оптимальной конструкцией двигателя выбран линейный двигатель постоянного тока с полым беспазовым якорем и возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов.

Ключевые слова: электротехнические комплексы, линейные двигатели, электромагнитное возбуждение, беспазовый якорь.

В ряде электротехнических комплексов и систем рабочий орган совершает линейное перемещение или возвратно-поступательное движение. Позиционирования и удержания рабочего элемента при определенных внешних воздействиях, можно различными техническими решениями [1-5]. Это могут быть гидравлические или пневматические приводы. Такие комплексы могут обеспечить очень высокие значения развиваемых усилий. Гидропривод может обеспечить точность до десятых долей миллиметра, имеет возможность фиксации в любом промежуточном положении рабочего органа. Пневматический привод обладает низкой точностью, а в промежуточных положениях точность фиксации рабочего органа осуществляется достаточно сложно [6]. Широко известно применение гидро- и пневмосистем в качестве амортизаторов транспортных средств. Однако, подобные технические решения уже не всегда удовлетворяют возрастающим требованиям к современным автомобилям. Поэтому многие ведущие автопроизводители включают в систему подвески кроме традиционных амортизаторов еще и блоки активных электромагнитных демпферов, обладающих возможностью настройки жесткости и позиционирования «подрессоренных» масс [7].

367

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.