CC BY
18
Косимое Б. И. Kosimov B. I.
аспирант кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск, Российская Федерация, Институт энергетики Таджикистана, Бохтариён, Таджикистан
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-2-16-23
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО АНАЛИЗА КРУПНОГАБАРИТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИВОДА ПИЛЬГЕРСТАНА
В настоящее время металлургическое производство содержит большое количество морально и физически устаревшего электрооборудования, требующего модернизации. Для его замены требуются большие капитальные затраты. По этой причине оно медленно внедряется, долго эксплуатируется с целью окупаемости, медленно выводится из производства. В связи с этим новое оборудование должно быть инновационным и по многим параметрам опережать существующий уровень развития отрасли. В статье предлагается следующее решение. Для замены существующего коллекторного двигателя привода пильгерста-на по производству бесшовных труб, который функционирует с 1928 г. и находится в критическом состоянии, предлагается крупногабаритный тихоходный вентильный двигатель с большой встроенной инерционной массой, имеющий магнитную систему с постоянным магнитом и когтеобразными полюсами. Такое техническое решение для приводов этого класса в мире не применялось. Двигатель позволяет исключить существующий 120-тонный маховик, повысить надежность за счет бесконтактности токоподвода, снизить эксплуатационные затраты, исключив потери на возбуждение. Конструкция двигателя позволяет произвести его сборку без дополнительной технологической оснастки, что очень важно для крупных двигателей с постоянными магнитами. Для разработки уникального двигателя была создана проектная система, состоящая из подсистемы синтеза и подсистемы анализа. Подсистема синтеза реализует многоуровневую однокритериальную оптимизацию. В результате ее работы определяется оптимальная геометрия по выбранному критерию. Система анализа подтверждает достоверность расчета по упрощенным методикам оптимизации и окончательно снимает технические риски перед изготовлением промышленного образца. Она построена на основе хорошо отработанной для электрических машин CAE системы Ansys Electronics Desktop. Анализ имеет несколько этапов, который включает в себя электромагнитный анализ. Эффективность работы проектной системы проверена на реальном проекте, который выполнялся для Челябинского трубопрокатного завода. Данный подход рекомендован для проектирования других подобных типов вентильных электроприводов.
Ключевые слова: пильгерстан, CAE системы, синтез, анализ, тепловой анализ, вентильный электродвигатель, когтеобразные полюса, магнитная система, тангенциальные магниты, двухмерная модель, трехмерная модель.
APPLICATION OF THE FINITE ELEMENT METHOD FOR ELECTROMAGNETIC ANALYSIS OF LARGE-SIZE
PILGER MILL MOTOR
Currently, metallurgical production contains a large number of morally and physically obsolete equipment that requires modernization. The accumulation of worn-out equipment is associated with the conservative nature of the development of this industry, which is explained by
УДК 621.311
large capital expenditures. This equipment is slowly being implemented for a long time operated for the purpose of recovery, slowly eliminated from production. In this regard, the new equipment must be innovative and in many respects ahead of the existing level of development of the industry. The article proposes such a solution. To replace the existing manifold of the motor of the pilger mill drive for producing seamless tubes, which has been operating since 1928 and is in critical condition, offers large low-speed valve motor with large built-in inertial mass, having a magnetic system with permanent magnet and claw poles. Such a technical solution for drives of this class has not been used in the world. The motor eliminates the existing 120 ton flywheel, improves reliability due to contactless current supply, reduce operating costs, eliminating the loss of excitation. To develop a unique motor a design system consisting of a synthesis subsystem and an analysis subsystem was created. The synthesis subsystem implements multi-level single-criteria optimization. As a result of its work, the optimal geometry is determined by the selected criterion. The analysis system confirms the reliability of the calculation according to simplified optimization methods and finally removes technical risks before manufacturing an industrial design. It is based on Ansys Electronics Desktop CAE system, which is well developed for electric machines. The analysis has several stages. Initially, the plane problem of the analog engine is analyzed, and then the three-dimensional model of the real sample is analyzed. This approach has largely reduced time and computer power. The efficiency of the design system is shown on the real project, which was carried out for the Chelyabinsk pipe rolling plant. This approach is recommended for the design of other similar types of valve actuators.
Key words: pilger mill, CAE systems, synthesis, analysis, brushless direct current motor, claw-poles, magnet system, tangential magnets, two-dimensional model, three-dimensional model.
Введение
Регион Урала традиционно является одним из центров тяжелой индустрии. Исторически на протяжении более, чем двух столетий здесь развивалось крупное машиностроение и металлургия. Эти тенденции присутствуют и в наше время. Особенностью развития этой отрасли является инерционность. Прежде всего, это связано с большими капитальными затратами на модернизацию производства. Научные разработки и инновационные решения гораздо медленнее внедряются в эту сферу, чем в других отраслях. Этим можно объяснить то обстоятельство, что на многих предприятиях тяжелой индустрии России до сих пор эксплуатируется довоенное и послевоенное оборудование. В связи с этим очень важно, чтобы технические решения для этой отрасли в значительной мере опережали время и были инновационными. Они будут медленно внедряться и потом долго работать до морального и физического износа.
Одним из таких примеров является ныне действующий на Челябинском трубопрокатном заводе привод пильгерстана для изготовления бесшовных труб различного диаметра, которые применяются в нефтегазовой сфере.
Привод функционирует с 1928 г. Коллекторный двигатель постоянного тока фирмы Simens имеет следующие основные параметры: номинальная мощность 2.75 МВт, номинальное напряжение питание 6 кВ постоянного тока, номинальная частота вращения 35 об/мин. Электропривод вращает массивный маховик диаметром 9 м и весом 120 т. Фотография существующего привода представлена на рисунке 1.
Долгое время эксплуатации электродвигателя привели к его физическому и моральному износу. У электродвигателя обнаруживались технические проблемы, которые ставят под угрозу его надежную работу. Например, от ударных нагрузок появились микротрещины на валу электродвигателя, которые могут привести к разрущению вала. Вследствие длительной эксплуатации в 3 смены появляется проблема энергоэффективности самого двигателя и привода в целом. В настоящее время замена существующего двигателя на более современный вариант является ключевой задачей предприятия. Требования, предъявляемые к модернизированному приводу При модернизации по условию предприятия основные узлы и агрегаты привода
Рисунок 1. Электродвигатель пильгерстана Челябинского трубопрокатного завода
должны остаться без изменений (двухвалковая клеть с калибром переменного сечения и подающий механизм). Предполагается замена только электродвигателя и, возможно, массивного маховика.
Основные требования к новому современному приводу со стороны руководства предприятия сформулированы следующим образом:
— электроприводу необходимо вписаться в габариты помещения, в котором находится существующий агрегат;
— для улучшения надежности и уменьшения эксплуатационных расходов привод должен иметь бесконтактный токоподвод;
— привод должен иметь возможность регулировки частоты вращения в диапазоне 30-45 об/мин для прокатки труб разных диаметров, в то же время заказчик требует обеспечить стабильность частоты вращения;
— необходимо повысить КПД привода для уменьшения эксплуатационных потерь;
— необходимо предусмотреть минимальное время для демонтажа старого привода и замены его новым приводом. Нельзя прерывать на долгий срок существующую технологическую линию;
— электродвигатель и система управления должны иметь по возможности минимальную стоимость.
Выбор базового варианта двигателя
для привода пильгерстана
Анализ тенденций развития современного электромашиностроения позволяет в качестве наиболее перспективного выбрать вентильный электропривод [1-5]. Это связано с тем, что неуклонно повышаются мощность, надёжность работы вентильных машин, в том числе и в агрессивных средах. При этом цена таких приводов снижается и становится доступной для средних предприятий. Этому способствует развитие производства мощных высококоэрцитивных постоянных магнитов и силовой электроники на большие токи и напряжения. Сейчас разработка управляемых преобразователей частоты тока на мощности десятки и сотни мегаватт не представляет практических проблем. Хорошо отработано векторное управление, которое является эффективным с точки зрения массоэнергети-ческих показателей. Появились различные конструкции с эффективными магнитными системами для индуктора. Эти положительные тенденции позволяют проектировать и производить вентильные двигатели и генераторы на десятки и сотни мегаватт.
Но практика показывает, что мощные и крупногабаритные вентильные машины производят с электромагнитным возбуждением без постоянных магнитов. Это связано с технологией изготовления машин с постоянными магнитами, которые имеют большой диаметр. При сборке электрической машины, когда индуктор вставляется в якорь, возникают очень сильные магнитные тяжения. При применении мощных магнитов их величина может составить несколько тонн. Ротор притягивается к стенкам статора, и сборка становится практически невозможной. Теоретически возможно спроектировать оснастку для сборки таких электрических машин, но расчеты показывают, что стоимость этих приспособлений может в десятки раз превысить стоимость самого двигателя. Такие же проблемы возникают при разборке индуктора для регламентных и ремонтных работ.
Исследования для решения этой технологической проблемы привели к анализу вентильной машины с когтеобразными полю-
сами [6-8]. Конструкция индуктора с когте-образными полюсами с постоянным магнитом представлена на рисунке 2.
Следует отметить, что магнитную систему с когтеобразными полюсами нельзя назвать эффективной. Она имеет большой поток рассеяния, который насыщает магнитопровод, но не участвует в преобразовании энергии.
При указанном недостатке такая конструкция имеет большое преимущество. Индуктор можно собрать непосредственно в самой электрической машине по частям по следующей технологии.
1. Сначала в якорь вставляется вал с нижней обоймой когтеобразных полюсов. Эта часть магнитной системы на данном этапе сборки не содержит постоянных магнитов и не будет притягиваться к стенкам якоря.
2. На втором этапе сборки в индуктор монтируется постоянный магнит. В зависимости от габаритов он может склеиваться по отдельным частям, а может монтироваться целиком.
3. На третьем этапе в индуктор вставляется верхняя обойма с когтеобразными полюсами. Под действием электромагнитных сил постоянного магнита она должна втянуться в индуктор.
4. На последнем заключительном этапе монтаж подшипникового щита завершает сборку.
Технология сборки показана на рисунке 3.
Такая технология сборки вентильного двигателя с когтеобразными полюсами (ВДКП) не требует дорогостоящей оснастки и специальных приспособлений и предлагается впервые.
При оптимизации геометрии и правильном выборе размеров кольцевого постоянного магнита магнитную систему можно сделать достаточно эффективной с большим рабочим магнитным потоком.
Магнитные системы с когтеобразными полюсами достаточно хорошо изучены [9-13], но это касается электрических приводов малой и средней мощности. Разработка вентильных машин на несколько мегаватт с диаметром расточки в несколько метров является уникальной для инженерной практики. В связи с этим актуальной стала задача
Рисунок 2. Общий вид ротора с когтеобразными полюсами и постоянным магнитом
теоретического исследования и практического внедрения такой конструкции в реальное производство.
Постановка задачи синтеза и анализа
вентильной машины с когтеобразными
полюсами
Особенностью привода пильгерстана является низкая частота вращения вала при больших ударных нагрузках. Условия эксплуатации не позволяют применить для двигателя повышающий редуктор из-за больших динамических моментов, поэтому двигатель имеет большие габариты. Применить в данном случае теорию подобия, когда оптимально спроектированный двигатель небольшой мощности пропорционально увеличивается в размерах до заданной мощности, невозможно. В электромашиностроении такой прием не применяется. Это связано с резко нелинейными зависимостями между линейными размерами двигателя, электромагнитными нагрузками и его электромагнитной мощностью.
Проектирование двигателей большой мощности и габаритов связано с большими капитальными затратами. Невозможно проект вести по традиционному пути: создание и исследование макетного образца, опытного образца, серийного изделия. Современное развитие вычислительной техники и программного обеспечения позволяет пройти эти стадии на цифровом двойнике, прежде чем изготовить реальный двигатель. Для этого необходимо создать проектную систему
1 — установка статора в сборе; 2 — установка первой половины когтеобразного ротора; 3, 4 — монтаж постоянного магнита; 5 — установка второй половины когтеобразного ротора;
6 — окончательная сборка двигателя Рисунок 3. Технология сборки двигателя
синтеза оптимальной геометрии и анализа полученного электронного прототипа.
Для синтеза необходимо выбрать наиболее подходящий для данной математической модели метод нелинейного программирования.
Для более качественного анализа электрических машин этого класса можно использовать хорошо отработанные и проверенные CAE-системы на основе метода конечных элементов, такие как Ansys Electronics Desktop.
Рисунок 4. Функциональная схема проектной системы для вентильной машины с когтеобразной магнитной системой
Такая система для проектирования вентильной машины с когтеобразными полюсами была создана. Функциональная схема проектной системы представлена на рисунке 4.
Разделение проектной системы на две части: синтез и анализ объясняется следующими причинами. Оптимизация геометрии предполагает большое количество итераций при изменении независимых переменных. Количество циклов расчета математической модели в зависимости от выбранного метода может составлять до нескольких тысяч. Понятно, что при этом методы оптимального проектирования могут работать только с очень упрощенной моделью с большим числом ограничений [14, 15]. Оставлять эту модель в качестве конечной, даже после процедуры оптимизации, нельзя из-за больших рисков по капитальным затратам на разработку конструкторско-технологической документации и изготовлении образца. Необходим тщательный анализ полученных результатов на основе более точных методик цифровых двойников. Эту задачу выполняет система анализа.
Объем статьи не позволяет подробно описать обе системы. Работа системы синтеза представлена в ряде уже опубликованных статей [16]. Кратко отметим, что в основе системы синтеза лежит метод схем замещения. Задача оптимального проектирования сформулирована в виде многоуровневой одно-критериальной задачи. Для алгоритма перебора независимых переменных выбран метод,
который сочетает в себе метод покоординатного спуска Гаусса — Зейделя при переходе к оптимуму с методом Фибоначчи при выборе шага. В алгоритм встроен метод штрафных функций при поиске оптимума на границе.
Построение системы анализа и результаты ее работы опишем более подробно, поскольку при ее разработке было принято несколько инновационных решений.
Как было отмечено, для системы анализа из многочисленных возможных вариантов был выбран программный комплекс Ansys Electronics Desktop [17-20]. Он содержит большое количество хорошо отработанных методик типовых конструкций электрических машин. Вентильная машина с когтеобразными полюсами входит в перечень этих машин. Программный комплекс позволяет сделать предварительный анализ этой машины в режиме RMxprt. Этот режим делает расчёты на основе метода схем замещения. Для этого достаточно заполнить табличные формы с геометрией машины, материалами и параметрами номинального режима, что во многом облегчает анализ машины. При этом следует отметить, что в последней версии программы можно провести анализ только генераторного режима работы. Для привода пильгерстана требуется анализ двигательного режима работы. В силу специфики работы привода он может существенным образом отличаться от генераторного режима, что приводит к техническим рискам при внедрении привода в производство.
Программный комплекс позволяет развернуть задачу в 3D модель. Программа это делает автоматически при выборе режима Create Maxwell 3D Design. Развернуть задачу анализа вентильной машины в 2D модель нет возможности, так как геометрия машины не имеет плоскую симметрию.
На этом этапе построения системы разработчики встретили очень большую проблему. Тестовые расчеты показали, что при использовании программы Ansys Electronics Desctop для 3D модели в режиме решения переходной динамической задачи Transient для машины с когтеобразной магнитной системой ожидание результатов расчета основных характеристик составляло от 8 до 15 ч. Следует отметить, что для решения задачи применялся мощный суперкомпьютер университета. Процедура распараллеливания решения задачи на несколько ядер процессора существенным образом не улучшила результат. Одной из вероятных причин явилось то обстоятельство, что формирование расчетной сетки шло от воздушного зазора в несколько миллиметров, а габариты всего двигателя составляли более 6 м. Генератор сеток разбивал расчетную область на очень большое количество элементов. При этом для сходимости процесса сетка многократно перестраивалась.
Такое время расчета не приемлемо, особенно если речь идет о настройке модели или переборе вариантов геометрических размеров конструкции. При этом практика показала, что для плоской двумерной модели решение такой задачи для вентильной машины с тангенциальными магнитами составляет от 25 до 45 мин.
Чтобы разрешить это противоречие, было решено заменить реальную конструкцию вентильной машины с когтеобразной формой полюсов на конструкцию с эквивалентными энергетическими параметрами, которая имеет плоскую симметрию, что позволило существенно ускорить процесс проектирования. Наиболее близким аналогом по энергетическим характеристикам оказалась вентильная машина типа BLDC с тангенциальными полюсами. Необходимо отметить, что машина имеет аналогичный якорь. Имеются
отличия в конструкции индуктора, но следует иметь в виду, что в индукторе отсутствуют электрические и магнитные потери, все процессы преобразования электромагнитной энергии происходят в якоре машины. В случае, если подобрать магнитный поток вентильной машины с тангенциальной системой возбуждения таким же, как для машины когтеобразными полюсами, мы получим практически машину-близнец, в которой учтены магнитные и электрические потери якоря, электромагнитный момент, индуцируемая ЭДС в фазных обмотках и другие основные параметры.
Этот принцип был заложен в программный комплекс по проектированию электрических машин с когтеобразными полюсами на этапе анализа, описание которого приводится ниже.
Описание программного комплекса по проектированию вентильных машин с когтеобразными полюсами На первом этапе реализуется задача синтеза. При этом определяется оптимальная геометрия машины и обмоточные данные. Затем результаты оптимизационных расчетов передаются с применением заранее подготовленных скриптов в программу Ansys Electronics Desctop.
На втором этапе в среде Ansys Electronics Desctop в режиме RMxprt проводится анализ оптимальной вентильной машины с применением модели с когтеобразными полюсами, которая заложена в базу программы (CPSM). В то же время проверяется точность решения оптимизационной задачи по ключевым параметрам (КПД, потерям, потоку в зазоре, моменту, индуцируемым ЭДС в фазах). В случае несоответствия какого-то из вышеуказанных параметров процедура повторяется с корректировкой этих данных.
На третьем этапе реальная машина с когтеобразными полюсами CPSM заменяется машиной-аналогом BLDC. Для этого, не выходя из режима RMxprt, полученные данные из модели с когтеобразными полюсами передаются в модель вентильной машины с тангенциальной системой возбуждения, при этом внутренний диаметр якоря машины-аналога подбирается таким образом, чтобы
основной магнитныи поток, проходящии из ротора в статор, был эквивалентным. В то же время проверяется сходимость всех характеристик обеих машин.
Далее после этого этапа происходит автоматический переход задачи из режима RMxprt в режим Maxwell 2D Design. В этом случае машина анализируется на основе метода конечных элементов с вычислением всех параметров электромагнитного поля. На этом этапе время расчета составляет 20-40 мин. В случае необходимости модель машины корректируется.
На последнем этапе происходит анализ реальной трехмерной (3D) модели машины с когтеобразными полюсами CPSM. На основе метода конечных элементов происходит ана-
лиз реальной модели с определением всех ключевых характеристик.
В качестве примера ниже представлена оболочка программы оптимизации, реализованная в программе Delphi, и показаны результаты данной проектной системы на примере вентильного двигателя с когтеобраз-ной магнитной системы 2,5 МВт, 600 В, 40 об/мин для привода пильгерстана.
На рисунке 5 показаны результаты работы первого этапа (программы синтеза). Программа представляет собой авторскую разработку и написана на программном языке Delphi. Она определяет оптимальную геометрию машины по техническому заданию заказчика.
Ьплш ■ цис i'rmp-fcMi инь* г «гжйрам>чр nswtwi
од* Viîfpnv Artvt fcb<kerto (прмм бак ant *M*af№'-
Г jfctfYM
tofrp щи
- а X
-
-Ц-; члт-
imd.lttap )
Ir l7', *'I ' / .'Г .
меътЬаг
-'Л-Л I1*»
.-'I
Г tMflhm wen T
' /■■ n k. T-
'Ж !«К11л "ЧКГТГ* ''■*• а Чгтиан
Wi №t> 3*u ХМ» iSXil J
тгег llili
Рисунок 5. Программа оптимизации геометрии вентильной машины с когтеобразной магнитной системой
Затем результаты расчета оптимальной геометрии и обмоточные данные с помощью предварительно разработанного скрипта передаются в программу Ansys Electronics Desctop. В программе Ansys Electronics Desctop в режиме RMxprt проверяются рассчитанные параметры. Данная программа имеет проверенную методику для анализа этого типа машины (CPSM).
Ниже представлены результаты работы на данном этапе (рисунок 6).
После этого в режиме ЯМхрг! начинается расчет вентильного электродвигателя с тангенциальным индуктором (BLDC). При этом все размеры статора и данные его обмотки берутся аналогичными предыдущему варианту. Магнитный поток машины-аналога с помощью внутреннего диаметра выбирается равным магнитному потоку машины с когтеобразными полюсами (CPSM).
Результаты анализа этого этапа показаны на рисунке 7.
fata™» I tognihMi I OIVM |
üi/pi гшкЬм (ф
Dïil
FtÄoUÜiWim
13
IkUÉ 1 VA* г U*
i »WOII» »V
"Г Aifnttu« ЙЗЙЭ
4 3SÂÎ.9
AtmthJD CuwtDwttty Mil Ajejn2
т FicbüTHj ürpj Wrtiajc Lo.l 10ЙЮ W
limCcn Loci 1401 33 w
AmeiweCiwlo« UÏ39Î w
TcWLw* Î57WÎ w
и OutuPoMi HÖOO w
а fnCHiPoMf >21Я 70 w
ч Ейккпсу звезд X
ц S]TcNDnui Sprrf 35 4"n
flwdl«»* бдачв NenlcrMeler
-LL
З.ЮЕчК-
Рисунок 6. Результаты расчета машины с когтеобразными полюсами в режиме
Performance j Deagn Sheet j Curves |
ÏX
RMxprt
Nane
DulffJt Fowef vt Flnwafogla
E
I Full-Load Qperatiori
Fl
Name Value Unit
4 Specific Electiic Loading 22454.5 A..pef_meter
1 Arineiure Current Donairy M5604 A_pei_rn£
i FrictKjnat end Windage Loss 4Î7G 75 W
F Iron-Core Loss 35518.9 w
■ ■ Armatuie Copper Loss 2607.S5 w
Transiiio" Low 0 V
lü Diocte Loss а w
11 Totd Loss чэсаз.е w
4 Output Power 25019« w
1] Inpii Power 2545020 w
14 Efficiency эе.зо71 X
1Я Rated Speed 32 7372 ipm
№ Bated Tотчие 7Î3S04 NewhonMeteF
IT
T"" 7я» кии issoo
Pc*ei inle til ideçreei
Рисунок 7. Результаты расчета вентильной машины с тангенциальной системой в режиме ЯМхрт!:
Следующим шагом в анализе является развертывание конструкции бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами в плоскую двумерную модель для конечно-элементного анализа магнитного поля. Эта модель является точной копией машины c когтеобразными полюсами потому,
что она имеет такой же якорь и магнитные потоки. Анализ характеристик осуществляется с помощью имитатора электронной схемы (Asys Citrix Circuit). Результаты анализа этого этапа показаны на рисунке 8.
На рисунке 9 приведена расчетная кривая электромагнитного момента.
V
Рисунок 8. Моделирование двигателя BLDC с тангенциальными магнитами
в Maxwell 2D Design
Рисунок 9. Кривая электромагнитного момента
На заключительном этапе из режима RMxprt модель вентильной машины с когтеобразными полюсами автоматически развёртывается в трехмерную модель в режиме Maxwell 3D Design, используя возможности Ansys Electronics Desctop для анализа магнитного состояния и определения параметров и характеристик. Результаты анализа в режиме Maxwell 3D Design приведены на рисунках 10, 11.
Согласно расчетной кривой момента двигателя с когтеобразной магнитной системой
видно, что характеристики анализируемого двигателя (рисунок 11) и двигателя-близнеца (рисунок 9) близки и находятся в пределах погрешности расчета.
На рисунке 12 для более ясного понимания функционирования проектной системы показаны ее этапы в виде алгоритмической схемы.
Таким образом, с применением данной проектной системы можно провести синтез и многоступенчатый анализ электрической машины с когтеобразной магнитной системы.
Рисунок 10. 3D моделирование машины с когтеобразной магнитной системой (CPSM)
Tortjue Plot 2
[me tri;;
Рисунок 11. Кривая электромагнитного момента для 3D модели машины с когтеобразной магнитной
системы в режиме Maxwell 3D Design
I Tlmfi--11
D !.5е*Ш Js+ЙЗ (mm)
Рисунок 12. Алгоритмическая схема функционирования проектной системы
Анализ результатов
В настоящее время существуют разные современные САЕ-системы для анализа электрических машин, которые имеют возможность качественного расчёта их параметров и характеристик.
Следует отметить, что эти системы предъявляют очень высокие требования к компьютерам с точки зрения производительности и оперативной памяти. Разработчики не всегда могут иметь такие возможности. Одной из проблем является ожидание результатов расчета на протяжении длительного времени для сложных магнитных систем.
Практика показывает, что разработчику электрических машин невсегда надо усложнять расчетную модель, переходя в другую профессиональную сферу по изучению возможности компьютера, тратить материальные и временные ресурсы на неоправданное использование больших мощностей компьютера. Очень часто можно с вполне приемлемой точностью перевести решение задачи из трехмерного анализа в двухмерный.
Представленная система проектирования разработана по данной логической схеме. После этапа синтеза, где оптимизация проводилась по упрощенной модели для схемы
- 23
замещения, задача переходит к следующему этапу анализа в программной среде Ansys. Затем шаг за шагом решается сначала плоская задача вычисления магнитного поля, а затем трехмерная задача вычисления магнитного поля. Максимальные различия основных параметров (КПД, электромагнитный момент, скорость, магнитные потоки, ЭДС вращения), полученные по данной схеме, представлены ниже:
— разница между расчетными параметрами в программе Delphi и RMxprt для машины с когтеобразными полюсами составила от 5 % до 9 %;
— разница между результатами RMxprt для машины с когтеобразными полюсами и результаты RMxprt для вентильной машины с тангенциальными магнитами составила 3-5 %;
— разница между результатами проектирования в режиме Maxwell 2D для вентильного двигателя с тангенциальными магнитами и результатами проектирования Maxwell 3D для машины с когтеобразными полюсами составила 5-7 %;
— разница между результатами этапа синтеза для машины с когтеобразными полюсами и результатами Maxwell 3D Design машины с когтеобразными полюсами составила 9-12%.
Полученную точность расчета для такой сложной магнитной системы, как машина с когтеобразными полюсами, следует признать хорошим результатом. Такой подход можно рекомендовать для разработки других типов электрических машин, не имеющих плоскую симметрию.
Выводы
Морально и физически устаревшее оборудование металлургического производства требует замены на приводы, в которых заложены инновационные решения, позволяющие им работать длительный период. Это обусловлено консервативным характером развития приводов из-за больших капитальных затрат. Вложенные на модернизацию средства достаточно долго окупаются, и далеко не каждое производство может позволить себе его частую замену.
В проекте предложено техническое решение, которое в мире еще не применялось. В
качестве приводного двигателя для привода пильгерстана по производству бесшовных труб предлагается применить тихоходный безредукторный вентильный двигатель большого диаметра и требуемой инерционной массой с когтеобразными полюсами и мощным постоянным магнитом. Такое решение позволяет убрать существующий 120-тонный маховик, уменьшив габариты, поскольку необходимая инерционная масса заложена в ротор, повысить КПД за счет исключения потерь на возбуждение, снизить эксплуатационные затраты за счет отсутствия коллекторного узла.
Данное предложение содержит большое количество технических рисков. Для их уменьшения была разработана проектная система по созданию электрических машин этого класса. Система содержит две основные части: подсистему синтеза и подсистему анализа. Подсистема синтеза определяет оптимальную геометрию машины на основе реализации задачи многоуровневой однокри-териальной оптимизации, построенной на основе метода Гаусса-Зейделя, метода Фибоначчи и метода штрафных функций. Подсистема анализа представляет собой многоэтапный процесс с использованием хорошо зарекомендовавшего себя CAE комплекса Ansys Electronics Desktop. При этом используются минимальные компьютерные ресурсы и расчетное время, поскольку на промежуточном этапе анализируется плоская задача, и только на заключительном этапе — трехмерная задача. Тепловой анализ трехмерной модели машины методом конечных элементов в программе Ansys Icepac также подтвердил возможность применения ВДКП в качестве привода пильгерстана.
Проектная система активно использовалась при разработке привода пильгерстана по производству бесшовных труб Челябинского трубопрокатного завода.
Работа выполнена в ЮУрГУ при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-19-00327). Автор благодарит руководство университета за возможность провести данное исследование.
Список литературы
1. Desanti A.F., Sidharta I., Erwantono H. e.a. Design of Performance and Parameter Measurement System for Brushless Direct Current (BLDC) Motor // Proceeding-2018 International Seminar on Intelligent Technology and Its Application, ISITIA. 2018. P. 175-179.
2. Park H.-S., Park S.-W., Kim D.-Y., Kim J.-M. Hybrid Phase Excitation Method for Improving Efficiency of 7-phase BLDC Motors for Ship Propulsion Systems // Journal of Power Electronics. 2019. No. 19 (3). P. 761-770.
3. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms // Proceedings — 2018. International Ural Conference on Green Energy, UralCon. 2018. 8544320. P. 282-287.
4. Ганджа С.А., Косимов Б.И., Аминов Д.С. Выбор оптимальной конструкции электродвигателя привода пильгерстана для технологии изготовления бесшовных труб // Вестник ЮУрГУ Серия «Энергетика». 2019. Т. 19, № 1. С. 5-17. DOI: 10.14529/power 190101.
5. Ганджа С.А., Косимов Б.И., Аминов Д.С., Ниматов Р.Р. Сравнительный анализ электродвигателей привода пильгерстана для технологии изготовления бесшовных труб. Выбор оптимальной конструкции // Вестник ПНИПУ «Электротехника, информационные технологии, системы управления». 2019. № 30. С. 79-101.
6. Omri R., Ibala A., Masmoudi A. Characterization on the No- and On-Load Operations of an Improved Claw Pole Machine. 2018, 13 th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies. EVER 2018. P. 1-8.
7. Rebhi R., Ibala A., Masmoudi A. MEC-Based Sizing of a Hybrid-Excited Claw Pole Alternator // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. 51 (1). 6837424. P. 211223.
8. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Development of Engineering Method for Calculation of Magnetic Systems for Brushless Motors Based on Finite Element Method // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM-2019. 2019. 8742976.
9. Zhang F.-G., Bai H.-J., Liu Y. Leakage Magnetic Calculation on Claw Pole Machine
with Outer Permanent Magnet Rotor // Electric Machines and Control. 2009. No. 13(4). P. 548552.
10. Njeh A., Trabelsi H. New Design of the Claw-Pole Transverse Flux Permanent Magnet Machine // 15th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices. 2018. 8570579. P. 1311-1316.
11. Bai H., Pekarek S.D., Tichenor J. e.a. Analytical Derivation of a Coupled-Circuit Model of a Claw-Pole Alternator with Concentrated Stator Windings // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2002. No. 17 (1). P. 32-38.
12. Cristian B., Constantin O., Chiver O. e.a. The Advantages of Numerical Analysis for Claw Pole Alternator // Proceedings of the 2014 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering. 2014. 6969928. P. 353-357.
13. Jurca F., Martis C. Claw-Pole Generator Parameters and Steady-State Performances Analysis // International Review on Modelling and Simulations. 2013. 6 (1). P. 41-48.
14. Bramerdorfer, G. Tolerance Analysis for Electric Machine Design Optimization: Classification, Modeling and Evaluation, and Example // IEEE Transactions on Magnetics. 2019. 55 (8). 8688464.
15. Wang Q., Li J., Qu R., Lu Y. Design and Optimization of a Permanent Magnet Synchronous Machine for Low Vibration and Noise Applications // ICEMS-2018. 21st International Conference on Electrical Machines and Sys-tems.2018. 8549128. P. 280-284.
16. Gandzha S., Bakhtiyor K., Aminov D. Development of a System of Multi-Level Optimization for Brushless Direct Current Electric Machines // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (Ural Conf.). 1-3 Oct. 2019 Chelyabinsk, Russia. 2019. DOI: 10.1109/URALCON.2019.8877650.
17. Gandzha S., Aminov D., Bakhtiyor K. Development of Engineering Method for Calculation of Magnetic Systems for Brushless Motors Based on Finite Element Method // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), ECF Paper. 25-29 March, 2019. Sochi, Russia, 2019. DOI: 10.1109 / ICIEAM.2019. 8742976.
18. Gandzha S., Aminov D., Kiessh I., Kosimov B. Application of Digital Twins
Technology for Analysis of Brushless Electric Machines with Axial Magnetic Flux // Proce-edings-2018. Global Smart Industry Conference, GloSIC 2018. 8570132.
19. Zheng P., Wu Q., Zhao J. e.a. Performance Analysis and Simulation of a Novel Brushless Double Rotor Machine for Power-Split HEV Applications // Energies. 2012. No. 5 (1). P. 119-137.
20. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor // Machines-2019. https:// doi.org/10.3390/machines7040065.
References
1. Desanti A.F., Sidharta I., Erwantono H. e.a. Design of Performance and Parameter Measurement System for Brushless Direct Current (BLDC) Motor. Proceeding-2018 International Seminar on Intelligent Technology and Its Application, ISITIA. 2018, pp. 175-179.
2. Park H.-S., Park S.-W., Kim D.-Y., Kim J.-M. Hybrid Phase Excitation Method for Improving Efficiency of 7-phase BLDC Motors for Ship Propulsion Systems. Journal of Power Electronics, 2019, 19(3), pp. 761-770.
3. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Design of Brushless Electric Machine with Axial Magnetic Flux Based on the Use of Nomograms. Proceedings-2018. International Ural Conference on Green Energy, UralCon 2018, 2018, 8544320, pp. 282-287.
4. Gandzha S.A., Kosimov B.I., Aminov D.S. Vybor optimal'noi konstruktsii elektro-dvigatelya privoda pil'gerstana dlya tekhnologii izgotovleniya besshovnykh trub [The Selection of the Optimal Design of the Pilgerstan Electric Drive Motor for the Technology of Manufacturing Seamless Pipes]. Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika» — Bulletin of SUSU. Series «Energy», 2019. Vol. 19, No. 1, pp. 5-17. DOI: 10.14529/power190101. [in Russian].
5. Gandzha S.A., Kosimov B.I., Aminov D.S., Nimatov R.R. Sravnitel'nyi analiz elektrodvigatelei privoda pil'gerstana dlya tekhnologii izgotovleniya besshovnykh trub. Vybor optimal'noi konstruktsii [Comparative Analysis of Pilgerstan Electric Motors for Seamless Pipe Manufacturing Technology. The Choice of Optimal Design]. Vestnik PNIPU «Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii,
sistemy upravleniya» — Bulletin of PNIPU «Electrical Engineering, Information Technology, Control Systems», 2019, No. 30, pp. 79-101. [in Russian].
6. Omri R., Ibala A., Masmoudi A. Characterization on the No- and On-Load Operations of an Improved Claw Pole Machine. 13th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies, EVER 2018, 2018, pp. 1-8.
7. Rebhi R., Ibala A., Masmoudi A. MEC-Based Sizing of a Hybrid-Excited Claw Pole Alternator. IEEE Transactions on Industry Applications, 2015, 51 (1), 6837424, pp. 211223.
8. Gandzha S., Aminov D., Kosimov B. Development of Engineering Method for Calculation of Magnetic Systems for Brushless Motors Based on Finite Element Method. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM, 2019. 8742976.
9. Zhang F.-G., Bai H.-J., Liu Y. Leakage Magnetic Calculation on Claw Pole Machine with Outer Permanent Magnet Rotor. Electric Machines and Control, 2009, 13 (4), pp. 548552.
10. Njeh A., Trabelsi H. New Design of the Claw-Pole Transverse Flux Permanent Magnet Machine. 15th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, 2018, 8570579, pp. 1311-1316.
11. Bai H., Pekarek S.D., Tichenor J. e.a. Analytical Derivation of a Coupled-Circuit Model of a Claw-Pole Alternator with Concentrated Stator Windings. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 17 (1), pp. 32-38
12. Cristian B., Constantin O., Chiver O. e.a. The Advantages of Numerical Analysis for Claw Pole Alternator. EPE 2014. Proceedings of the 2014 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering, 2014, 6969928, pp. 353-357.
13. Jurca F., Martis C. Claw-Pole Generator Parameters and Steady-State Performances Analysis. International Review on Modelling and Simulations, 2013, 6 (1), pp. 41-48.
14. Bramerdorfer, G. Tolerance Analysis for Electric Machine Design Optimization: Classification, Modeling and Evaluation, and Example. IEEE Transactions on Magnetics, 2019, 55 (8), 8688464.
Электротехнические комплексы и системы
15. Wang Q., Li J., Qu R., Lu Y. Design and Optimization of a Permanent Magnet Synchronous Machine for Low Vibration and Noise Applications. ICEMS-2018. 21st International Conference on Electrical Machines and Systems,
2018, 8549128, pp. 280-284.
16. Gandzha S., Bakhtiyor K., Aminov D. Development of a System of Multi-Level Optimization for Brushless Direct Current Electric Machines. International Ural Conference on Electrical Power Engineering (Ural Con.) 2019. 1-3 Oct. 2019. Chelyabinsk, Russia,
2019. DOI: 10.1109/URALCON.2019.8877650.
17. Gandzha S., Aminov D., Bakhtiyor K. Development of Engineering Method for Calculation of Magnetic Systems for Brushless Motors Based on Finite Element Method. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM),
ECF Paper 25-29 March 2019. Sochi, Russia, 2019. DOI: 10.1109/ICIEAM.2019. 8742976.
18. Gandzha S., Aminov D., Kiessh I., Kosimov B. Application of Digital Twins Technology for Analysis of Brushless Electric Machines with Axial Magnetic Flux. Proce-edings-2018. Global Smart Industry Conference, GloSIC 2018, 2018, 8570132.
19. Zheng P., Wu Q., Zhao J. e.a. Performance Analysis and Simulation of a Novel Brushless Double Rotor Machine for Power-Split HEV Applications. Energies, 2012, 5 (1), pp. 119-137.
20. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor. Machines-2019. https:// doi.org/10.3390/machines7040065.
