CC BY
11предиктивных экологических мер в области автомобильной промышленности по всей планете посредством электроавтомобилей не может быть решена. И, совершенно не ясно, позволят ли электроавтомобили спасти человечество от природных катаклизмов и голода к 2050 году.
Авторы настоящей работы выражают благодарность автомобильной компании AURUS и автомобильной компании TOYOTA, которые занимаются разработками водородных электроавтомобилей.
Список литературы
1. IPCC: сайт межправительственной группы экспертов по изменению климата на английском языке: ipcc.ch
2. Polestar: сайт производителя электроавтомобилей на английском языке: polestar.com
3. Duesenfeld: сайт предприятия по утилизации аккумуляторных батарей на английском языке:duesenfeld. com
4. Enerdata: информационно-аналитический ресурс на английском языке: enerdata.net
7. Проектный центр ИТЭР: сайт российского участника программы ITER на русском языке: iterrf.ru
8. Tesla: сайт производителя электроавтомобилей на английском языке: tesla.com
9. Г.Н. Александров Проектирование электрических аппаратов, Энергоатомиздат 1985,448 с.
10. ACS Publications: научный журнал о нано-технологических исследованиях на английском языке: pubs.acs.org
11. Триумф инжиниринг: сайт производителя электротехнического оборудования на русском языке: triumph.engineering.ru
12. Toyota: сайт автопроизводителя на русском языке: toyota.ru
13. Артур Конан Дойл, Затерянный мир
ОПТИМИЗАЦИЯ ЛИНЕЙНОГО ПРИВОДА ТРУБОПРОКАТНОГО СТАНА
Кириллов И.В.
АО «УАПО», инженер-конструктор Апальков Р.Г. АО «УАПО», инженер-схемотехник Рахманов И. НИУМЭИ, студент Попиль С.В. НИУ МЭИ, студент
OPTIMIZATION OF THE LINEAR DRIVE OF THE PIPE ROLLING MILL
Kirillov I.,
JSC "UAPO", design engineer Apalkov R., JSC "UAPO", circuit engineer Rakhmanov I., NRUMPEI, student Popil S.V. NRU MPEI, student
Аннотация
Целью настоящей работы является оптимизация разработанной конструкции линейного привода трубопрокатного стана большой мощности. Получение рабочих характеристик привода, моделирование его на предмет электромагнитных явлений, которые позволяют судить о его оптимизации. Гипотеза настоящего исследования заключается в повышении эффективности трубопрокатного стана за счёт определения оптимизированы геометрический параметров привода стана, а также за счёт применения линейного типа привода в конструкции трубопрокатного стана. Метод настоящего исследования сводится к экспериментальному компьютерному моделированию, которое заключается в проведении множества итераций серий моделирования магнитного поля линейной электрической машины (ЛЭМ) при изменении геометрии маг-нитопроводящей её части.
Abstract
The purpose of this work is to optimize the developed design of the linear drive of a high-power pipe rolling mill. Obtaining the operating characteristics of the drive, modeling it for electromagnetic phenomena that allow us to judge its optimization. The hypothesis of this study is to increase the efficiency of a pipe rolling mill by determining the optimized geometric parameters of the mill drive, as well as by using a linear type of drive in the design of a pipe rolling mill. The method of this study is reduced to experimental computer modeling, which consists in carrying out many iterations of a series of modeling the magnetic field of a linear electric machine
(LEM) when the geometry of its magnetic conducting part changes.
Ключевые слова: линейный электродвигатель, оптимизация, снижение тепловых потерь, моделирование Comsol Multiphysics.
Keywords: linear electric motor, optimization, reduction of heat losses, modeling of Comsol Multiphysics.
С ростом потребления продукции, которая производится ныне на промышленных предприятиях растёт и производительность установок этих промышленных предприятий. Так, например, в области силовой электроники наблюдается тенденция к увеличению плотности мощности на некий полезный объём электронного компонента. Также, технологические процессы в электронике стремятся перейти в нанотехнологические процессы [1], которые также необходимы для увеличения плотности энергии. Это позволяет при тех же и даже меньших габаритах одного и того же устройства получать более совершенные характеристики.
Трубопрокатное оборудование тому не исключение [2], [3], [4] и, даже напротив, эта область инженерного познания стоит на передовых позициях на пути к увеличению плотности энергии. Трубопрокатное оборудование является весьма важным для промышленности. Оно позволяет производить элементы каркасных конструкций, стволы танковых орудий, трубы для водяных, газовых, нефтяных магистралей и много-многое другое... Переоценить важность трубопрокатного оборудования никак нельзя [5].
Именно о мощном трубопрокатном стане [6] и идёт речь в настоящей работе, а именно о его опти-
мизации, поскольку некие экспериментальные исследования уже были проведены на реальном прототипе.
Задача оптимизации трубопрокатного стана, о котором идёт речь сводится к подробному рассмотрению его линейного электромагнитного привода или же линейного электродвигателя. Выражаясь более конкретно, задача настоящей работы сводится к получению таких электромагнитных характеристик линейного привода, которые позволили бы снизить тепловую нагрузку на его магнитную систему. В свою очередь, снижение тепловой нагрузки на электромагнитную систему линейного привода трубопрокатного стана позволит сделать последний более экономичным в отношении потребления электроэнергии; что и будет являться оптимизацией линейного привода трубопрокатного стана.
Перво-наперво существует необходимость определить количество пазов и полюсов рассматриваемой линейной электрической машины (в дальнейшем ЛЭМ). В соответствии с одним из исследований [7] стокгольмского университета, количество пазов ЛЭМ стоит определить, как Q равное 12; количество полюсов как p равное 14. Для дальнейшей разработки ЛЭМ были приняты некоторые заданные величины, которые отображены в таблице 1.
Таблица 6
Исходные параметры ЛЭМ
Параметр Значение Название
p 14 Полюса
q 12 Пазы
tau_pm 36 [мм] Полюсное деление
h_pm 10[мм] Высота магнита
w_pm 28[мм] Ширина магнита
h s 40[мм] Высота статора
L 1000[мм] Длина статора
l 500[мм] Длина активной зоны
ag 1[мм] Воздушный зазор
h r 35[мм] Высота ротора
tau s 42[мм] Полюсное деление обмотки
h t 30[мм] Высота зубца
w t 18[мм] Ширина зуба
w sl 24[мм] Ширина паза
Таким образом, магнитная система ЛЭМ в сечении выглядит так, как это показано на рисунке 1.
]ШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШШ1
Рис. 1 - Статор ЛЭМ с обмоткой и магнитопроводом
Также, для разработки конструкции ЛЭМ важно понимать, каким образом происходит намотка статора при изготовлении ЛЭМ. Согласно уже упомянутому исследованию стокгольмского
университета [8], направление и порядок намотки обмотки статора следует производить следующим
образом: C'A А'А';АВ; ВВ; В'С; С 'С. С А
При заданном числе
пазов и полюсов.
Очень важным параметром для ЛЭМ является частота питания. Её можно найти посредством выражения 1.
Расчётное значение частоты питания ЛЭМ составляет 41.7 Гц. Имея значение частоты питания сети для ЛЭМ, необходимо также и задаться неким углом сдвига фаз ЛЭМ. Для достижения этой цели необходимо и достаточно промоделировать ЛЭМ в генераторном режиме. Графические зависимости наведённого напряжения в обмотках статора представлены в виде рисунка 2.
Рис. 2 - Полученные кривые питания для ЛЭМ
Графические зависимости при их дальнейшей обработке (как это показано на рисунке 3) в математическом пакете МайаЬ позволяют получить
некие математические коэффициенты кривых для дальнейших расчётов, которые показаны на рисунке 4.
Рис. 3 - Преобразованная кривая напряжения питания ЛЭМ в математическом пакете МайаЬ
Рис. 4 - Полученные гармонические коэффициенты
Полученные при обработке в математическом
пакете Matlab данные позволяют заключить, что уг-
рзд
ловая частота tri имеет значение 261.8-.
Определение силы тока в фазах ЛЭМ
Плотность тока есть важнейший параметр для ЛЭМ в контексте её оптимизации. Бесконечно увеличивать плотность тока нельзя по ряду причин, главной из которых является изоляция. Как известно, существуют определённые классы изоля-
ции. В настоящей работе рассматривается к применению класс изоляции F [9]. Дабы найти плотность тока, необходимо задаться неким произведением линейной нагрузки на плотность тока, которая допускается классом изоляции F. Согласно данному классу изоляции настоящее произведение, а именно
площадь окна паза Расчётное значение плотности тока в ЛЭМ
А
А
произведение AJ будет равняться 2 О
42 10 ±_
-■У
Зная это, становится возможным рассчитать плотность тока ЛЭМ в соответствии с выражением 2.
равняется 3.44 —г и 4.86 —г в пике. мм2 мм2
Рассчитанная плотность тока позволяет произвести расчёт тока в каждой фазе ЛЭМ в соответствии с выражением 3.
(2)
Где:
А} — есть произведение линейной нагрузки на плотность тока согласно классу изоляции Б полюсное деление обмотки
Где:
| — плотность тока, в пике площадь сечения паза
число витков
Расчётное значение силы тока фазы статора составило 253.57 А. Полученные данные позволяют сформировать законы изменения силы тока с учётом сдвига фаз, которые представлены в таблице 2.
Таблица 7
Законы изменения фазных токов ЛЭМ
Название полюса Уравнение
A 253.57sin (261.8t 4- 2.7)
B 253.57sin (261.8t- 1.545)
C 253.57sin (261.8t+ 0.584)
На основе полученных зависимостей фазных сил тока ЛЭМ была построена силовая характеристика ЛЭМ от времени в соответствии с рисунком 5.
Рис. 5 - Зависимость силы от времени
Согласно рисунку 5 - наибольшее значение силы ЛЭМ достигает значения примерно равному 26 кН, с колебанием около 200 Н. В то время как желаемое значение усилия задаваемое ЛЭМ равняется 20 кН, что является внушительным параметром при текущих размерах ЛЭМ.
Моделирование в Comsol Multiphysics
Для более наглядной и точной картины поля ЛЭМ было выполнено компьютерное моделирование в программе Comsol Multiphysics [10]. Первичная картина магнитного поля представлена на рисунке 6. Оптимизация этого поля посредством моделирования была произведена при изменении заданной ширины зубца, в соответствии с таблицей 3.
Таблица 8
Зависимость параметров ЛЭМ от ширины зубца_
w t, мм s w, мм2 F, H AJ, A/м J, A/мм2
18 355 25936 1,16E+05 4,77
20 325 25623 1,11E+05 4,98
22 295 24898 1,06E+05 5,23
24 265 23916 1,00E+05 5,52
26 235 22934 94241 5,86
28 205 21742 88020 6,2
30 175 20213 81325 6,8
щлшпг
•100 О 100 200 100 400 500 600 100 !00 900 1000 1100 ж
Рис. 6 - Картина поля ЛЭМ
Графические же зависимости силы, плотности тока и произведения АЗ от ширины зубца представлены
рисунками 7 - 9.
Рис. 7
15161718192021222324252627282930
Зависимость силы ЛЭМ от ширины зубца
Рис. 8
15161718192021222324252627282930 Зависимость плотности тока от ширины зубца
Рис. 9 - Зависимость ЛЗ от ширины зубца
Из полученных зависимостей следует, что при увеличении ширины паза, можно добиться уменьшения насыщения стали сердечника, что снижает тепловую нагрузку с магнитной системы ЛЭМ.
Опять-таки, согласно рисункам 7 - 9 можно заключить, что ширину паза стоит принять равной 20 мм. Сравнительная картина поля при ширине паза в 18 мм и в 20 мм представлена на рисунках 10 и 11.
Рис. 10 - картина поля ЛЭМ при ширине паза в 18 мм
Для более наглядного представления о геометрии ЛЭМ служит рисунок 12.
Рис. 11 - Картина поля ЛЭМ при ширине паза в 20 мм
При изменении же размера h_s ЛЭМ наблюдается картина зависимости силы от этого размера согласно рисунку 13, а также зависимость распределения поля от этого размера согласно рисункам 14
и 15. При этом, были взяты две контрольные точки: 20 и 40 мм.
Рис. 12 - Геометрия магнитной системы ЛЭМ с проставленными размерами
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Рис. 13 - Геометрия магнитной системы ЛЭМ с проставленными размерами
Рис. 14 - картина поля ЛЭМ при h_s=40 мм
100 200 300 400 500 600 700 800 900
Рис. 15 - картина поля ЛЭМ при размере h_s равным 20 мм
Изменяя же ширину ротора ЛЭМ, можно получить распределения магнитного поля в соответствии с рисунком 16.
Рис. 16 - картина распределения поля при ширине ротора в 20 мм
Зависимость же силы ЛЭМ от данного параметра можно наблюдать на рисунке 17.
26005
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Рис. 17 - Зависимость силы от ширины ротора
Итоговая картина поля после уточнения всех размеров выглядит в соответствии с рисунком 18.
Рис. 18 - Итоговая картина магнитного поля после проведения оптимизации магнитной системы ЛЭМ
Из рисунка 18 следует, что индукция магнитного поля в магнитной системе ЛЭМ стала несколько меньше, нежели в случае до оптимизации данного параметра за счет подбора геометрических параметров машины.
Таким образом, снижение индукции в магнитной системе линейного привода позволяет снизить вихревые токи в ней, что способствует экономичности привода с точки зрения затрат электроэнергии на его работу, а также безопасности персонала.
Список литературы
1. Наноматериалы: технологии и материаловедение Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт, Харьков 2010
2. Вышинский В. Т., Рахманов С. Р., Лысенко А. В., Кагаловский В. М., Гасанов М. И.: научная
статья на русском языке [электронный ресурс] Повышение эффективности работы станов холодной прокатки труб роликами путём совершенствования процессов и оборудования УДК 621. 77437. 621. 774. 8
3. Рахманов С.Р.: научная статья на русском языке [электронный ресурс] Моделирование колебаний стержня оправки стана холодной пильгерной прокатки труб УДК 621.774.38
4. Рахманов С.Р., В.Т. Вышинский С.М., Кры-шин С.М. Исследование напряжённо-деформированного состояния станин рабочей клети стана холодной пильгерной прокатки труб
5. Болгарин П. М., Ильяшенко С. Н. Анализ рыночных возможностей развития трубопрокатного производства на ПАО «СМНПО ИМ. М.В.
ФРУНЗЕ» научная статья на русском языке [электронный ресурс].
6. Хорст Ф^ 984398 A3 Патент на русском языке [электронный ресурс]
7. «F. Libert, J. Soulard. Investigation on pole-slot combinations for permanent-magnet machines with concentrated windings. 2004
КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ ТАБЛЕТОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ И СБОРОК НА ИХ ОСНОВЕ
Кириллов И.В.
АО «УАПО», инженер-конструктор Апальков Р.Г.
АО «УАПО», инженер-схемотехник Рахманов И.
НИУМЭИ, студент
8. И.П. Копылов. Проектирование электрических машин. 2015г, 515с.
9. Comsol.com: сайт производителя ПО на английском языке
10. ГОСТ 8865-93 [электронный ресурс]
CONCEPTUAL REPRESENTATION OF THE EVAPORATIVE COOLING SYSTEM OF POWER THYRISTORS OF TABLET DESIGN AND ASSEMBLIES BASED ON THEM
Kirillov I.,
JSC "UAPO", design engineer Apalkov R., JSC "UAPO", circuit engineer Rakhmanov I.
NRUMPEI, student
Аннотация
Целью настоящей работы является разработка концепции системы охлаждения, в основе которой лежит такое устройство, как тепловая трубка. Задачей настоящей работы является получение картины температурного распределения тепловой трубки для заключения о работоспособности системы охлаждения, в целом. Гипотеза настоящего исследования сведена к эффективности системы испарительного охлаждения на основе тепловой трубки. Метод настоящего научного исследования заключается в примерной качественной оценке работы тепловой трубки и эмпирическом подборе её геометрических параметров, который заключается в проведении итерационном подходе к моделированию теплового состояния тепловой трубки. Моделирование производилось в Comsol Multiphysics, полученные результаты оказались более чем приличными, что в свою очередь подтвердило гипотезу об эффективности испарительного охлаждения на основе тепловых трубок.
Abstract
The purpose of this work is to develop the concept of a cooling system, which is based on such a device as a heat pipe. The task of this work is to obtain a picture of the temperature distribution of the heat pipe for concluding about the operability of the cooling system as a whole. The hypothesis of this study is reduced to the efficiency of an evaporative cooling system based on a heat pipe. The method of this scientific research consists in an approximate qualitative assessment of the operation of a heat pipe and an empirical selection of its geometric parameters, which consists in an iterative approach to modeling the thermal state of a heat pipe. The simulation was performed in Comsol Multiphysics, the results obtained were more than decent, which in turn confirmed the hypothesis about the efficiency of evaporative cooling based on heat pipes.
Ключевые слова: тепловая трубка, силовые тиристоры таблеточной конструкции, трёхфазный выпрямитель, тепловое рассеяние силовых тиристоров, моделирование Comsol Multiphysics.
Keywords: heat pipe, power thyristors of tablet design, three-phase rectifier, thermal scattering of power thyristors, modeling of Comsol Multiphysics.
На сегодняшний момент времени существует необходимость российской промышленности в более совершенных системах охлаждения силовых полупроводниковых приборов и сборок на их основе. Главным образом, настоящая работа затрагивает такое промышленное оборудование, как дуговые сталелитейные и дуговые стеклоплавильные печи.
Питание таких печей обеспечивается двумя устройствами: трансформатором переменного тока и, как правило, выпрямителем на силовых диодах или силовых тиристорах. Точнее сказать, питание электрической энергией указанной техники.
В качестве силового тиристора был взят тиристор SKT 1200 немецкой фирмы Semikron [1]. На
