Математическая модель для компоновочного проектирования линейных асинхронных электродвигателей

  • Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]
Ключевые слова: проектирование, математическая модель, главные размеры, электромагнитные нагрузки, линейный асинхронный электродвигатель

Аннотация

Проектирование асинхронных электродвигателей рассматривается как двухэтапный процесс синтеза электромеханической системы. Содержанием первого этапа является компоновочное проектирование устройства, где на основе эмпирических данных определяют главные размеры и электромагнитные нагрузки электродвигателя. Содержанием второго этапа — рабочее проектирование устройства. Модели и методы этапов компоновочного и рабочего проектирования для вращающихся и линейных асинхронных электродвигателей (ЛАЭД) отличаются коренным образом.

К проектировочным моделям ЛАЭД предъявляются следующие требования. Во-первых, модель ЛАЭД должна обеспечивать расчёт интенсивности и формы пространственного распределения электромагнитного поля и вторичного тока для каждого значения скорости. Во-вторых, модель ЛАЭД обязана не только увязывать главные размеры с электромагнитными нагрузками, но и в явном виде вырабатывать числовые показатели энергетической эффективности и тепловой нагрузки электродвигателя.

Предложена проектировочная модель, удовлетворяющая поставленным требованиям и описывающая электромеханические, энергетические и тепловые состояния ЛАЭД. Входные параметры модели — главные размеры и электромагнитные нагрузки устройства. Контролируемые параметры — значения электромагнитной силы, КПД и температуры обмотки индуктора. Компоновочное проектирование проводится путём оценки значений контролируемых параметров при вариациях входных параметров в технически реализуемых диапазонах.

Представлены результаты проектирования ЛАЭД по предлагаемой модели с электромагнитной силой — до 1000 Н, скоростью движения — до 12 м/с, рабочим ходом — до 2,16 м и КПД — до 46%. Результаты теплового расчёта свидетельствуют о том, что эксплуатация электродвигателя возможна в кратковременных и повторно-кратковременных режимах. Даны результаты расчёта показателей электродвигателя с теми же габаритами и пониженной плотностью тока в обмотке индуктора. Электродвигатель с классом нагревостойкости изоляции F и естественным воздушным охлаждением развивает электромагнитную силу до 116 Н и может эксплуатироваться в продолжительном режиме во всём диапазоне скорости.

Сведения об авторе

Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]

доктор технических наук, профессор кафедры электромеханических систем Смоленского филиала НИУ МЭИ, e-mail: sergkurilin@gmail.com

Литература

1. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2004.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 1. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Издат. дом МЭИ, 2006.
4. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. М.: Академия, 2006.
5. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Альянс, 2016.
6. Гольдберг О.Д., Макаров Л.Н., Хелемская С.П. Инженерное проектирование электрических машин. М.: Издат. дом. «Бастет», 2016.
7. Справочник по электрическим машинам / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, 1988.
8. Справочник по электрическим машинам / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1989.
9. Электротехнический справочник. Т. 4. Использование электрической энергии / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
10. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. М.: Академия, 2005.
11. Кобелев А.С., Макаров Л.Н. Интегрированная среда для повседневного поискового проектирования электрических машин // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: Труды XVII Междунар. конф., М.: Знак, 2018. С. 139—141.
12. Makarov L.N., Denisov V.N., Kurilin S.P. Designing and Modeling a Linear Electric Motor for Vibration-technology Machines // Russian Electrical Engineering. 2017. V. 88. No. 3. Pp. 166—169.
13. Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970.
14. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. Л.: Энергоатомиздат, 1983.
15. Sarapulov F.N., Frizen V.E., Shvydkiy E.L., Smol’yanov I.A. Mathematical Modeling of a Linear-induction Motor Based on Detailed Equivalent Circuits // Russian Electrical Engineering. 2018. V. 89. No. 4. Pp. 270—274.
16. Yu S.O., Sarapulov F.N., Tomashevsky D.N. Mathematical Modeling of Electromechanical Characteristics of Linear Electromagnetic and Induction-dynamic Motors // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020. V. 950. Iss. 1. P. 012020.
17. Smolyanov I., Sarapulov F., Tarasov F. Calculation of Linear Induction Motor Features by Detailed Equivalent Circuit Method Taking Into Account Non-linear Electromagnetic and Thermal Properties // Computers and Mathematics with Appl. 2019. V. 78. Iss. 9. Pp. 3187—3199.
18. Sarapulov F.N., Goman V., Trekin G.E. Temperature Calculation for Linear Induction Motor in Transport Application with Multiphysics Approach // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020. V. 966. Iss. 1. P. 012105.
19. Сарапулов Ф.Н., Смольянов И.А. Исследование тягового линейного асинхронного двигателя конвейерного поезда // Известия высш. учеб. заведений. Серия «Электромеханика». 2019. Т. 62. № 1. С. 39—43.
20. Smolyanov I., Shmakov E., Gasheva D. Research of Linear Induction Motor as Part of Driver by Detailed Equivalent Circuit // Proc. Intern. Russian Automation Conf. Sochi, 2019. Pp. 1—6.
21. Чапаев В.С., Волков С.В., Мартяшин А.А. Основные математические соотношения для исследования распределения магнитного поля в линейном асинхронном двигателе с управляющим слоем // Надежность и качество: Труды Междунар. симпозиума. Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. Т. 1. С. 153—155.
22. Kazraji S.M., Sharifyan M.B.B. A Predictive Control Model for an Induction Motor Linear Drive // Proc. 43rd IEEE Industrial Electronics Soc. Annual Conf. 2017. Pp. 3736—3739.
23. Creppe R.C., Ulson J.A.C., Rodrigues J.F. Influence of Design Parameters on Linear Induction Motor End Effect // IEEE Trans. Energy Conversion. 2008. V. 23. No. 2. Pp. 358—362.
24. Merlin Mary N.J., Ganguly C., Kowsalya M. Mathematical Modelling of Linear Induction Motor with and Without Considering End Effects Using Different Reference Frames // Proc. IEEE I Intern. Conf. Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems. 2016. Pp. 1—5.
25. Cho H., Liu Y., Kim K.A. Short-primary Linear Induction Motor Modeling with End Effects for Electric Transportation Systems // Proc. Intern. Symp. Computer, Consumer and Control. 2018. Pp. 338—341.
26. Kurilin S.P., Dli M.I., Sokolov A.M. Linear Induction Motors for Non-ferrous Metallurgy // Non-ferrous Metals. 2021. No. 1. Pp. 67—73.
27. Курилин С.П., Рубин Ю.Б., Дли М.И., Денисов В.Н. Модели и методы проектирования линейных электродвигателей для цветной металлургии // Цветные металлы. 2021. № 11. С. 83—90.
---
Для цитирования: Курилин С.П. Математическая модель для компоновочного проектирования линейных асинхронных электродвигателей // Вестник МЭИ. 2023. № 3. С. 11—20. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-11-20
---
Работа выполнена при поддержке: Российского научного фонда (грант № 22-61-00096)
#
1. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Vysshaya Shkola, 2004. (in Russian).
2. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. T. 1. M.: Izd-vo MEI, 2004. (in Russian).
3. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. M.: Izdat. Dom MEI, 2006. (in Russian).
4. Bespalov V.Ya., Kotelenets N.F. Elektricheskie Mashiny. M.: Akademiya, 2006. (in Russian).
5. Kopylov I.P. i dr. Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Al'yans, 2016. (in Russian).
6. Gol'dberg O.D., Makarov L.N., Khelemskaya S.P. Inzhenernoe Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Izdat. Dom. «Bastet», 2016. (in Russian).
7. Spravochnik po Elektricheskim Mashinam. Pod Obshch. Red. I.P. Kopylova, B.K. Klokova. T. 1. M.: Energoatomizdat, 1988. (in Russian).
8. Spravochnik po Elektricheskim Mashinam. Pod Obshch. Red. I.P. Kopylova, B.K. Klokova. T. 2. M.: Energoatomizdat, 1989. (in Russian).
9. Elektrotekhnicheskiy Spravochnik. T. 4. Ispol'zovanie Elektricheskoy Energii. Pod Obshch. Red. V.G. Gerasimova i dr. M.: Izd-vo MEI, 2004. (in Russian).
10. Katsman M.M. Spravochnik po Elektricheskim Mashinam. M.: Akademiya, 2005. (in Russian).
11. Kobelev A.S., Makarov L.N. Integrirovannaya Sreda dlya Povsednevnogo Poiskovogo Proektirovaniya Elektricheskikh Mashin. Elektromekhanika, Elektrotekhnologii, Elektrotekhnicheskie Materialy i Komponenty: Trudy XVII Mezhdunar. Konf., M.: Znak, 2018:139—141. (in Russian).
12. Makarov L.N., Denisov V.N., Kurilin S.P. Designing and Modeling a Linear Electric Motor for Vibration-technology Machines. Russian Electrical Engineering. 2017;88;3:166—169.
13. Vol'dek A.I. Induktsionnye Magnitogidrodinamicheskie Mashiny s Zhidkometallicheskim Rabochim Telom. L.: Energiya, 1970. (in Russian).
14. Yamamura S. Teoriya Lineynykh Asinkhronnykh Dvigateley. L.: Energoatomizdat, 1983. (in Russian).
15. Sarapulov F.N., Frizen V.E., Shvydkiy E.L., Smol’yanov I.A. Mathematical Modeling of a Linear-induction Motor Based on Detailed Equivalent Circuits. Russian Electrical Engineering. 2018;89;4:270—274.
16. Yu S.O., Sarapulov F.N., Tomashevsky D.N. Mathematical Modeling of Electromechanical Characteristics of Linear Electromagnetic and Induction-dynamic Motors. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020;950;1:012020.
17. Smolyanov I., Sarapulov F., Tarasov F. Calculation of Linear Induction Motor Features by Detailed Equivalent Circuit Method Taking Into Account Non-linear Electromagnetic and Thermal Properties. Computers and Mathematics with Appl. 2019;78;9:3187—3199.
18. Sarapulov F.N., Goman V., Trekin G.E. Temperature Calculation for Linear Induction Motor in Transport Application with Multiphysics Approach. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020;966;1:012105.
19. Sarapulov F.N., Smol'yanov I.A. Issledovanie Tyagovogo Lineynogo Asinkhronnogo Dvigatelya Konveyernogo Poezda. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Elektromekhanika». 2019;62;1:39—43. (in Russian).
20. Smolyanov I., Shmakov E., Gasheva D. Research of Linear Induction Motor as Part of Driver by Detailed Equivalent Circuit. Proc. Intern. Russian Automation Conf. Sochi, 2019:1—6.
21. CHapaev V.S., Volkov S.V., Martyashin A.A. Osnovnye Matematicheskie Sootnosheniya dlya Issledovaniya Raspredeleniya Magnitnogo Polya v Lineynom Asinkhronnom Dvigatele s Upravlyayushchim Sloem. Nadezhnost' i Kachestvo: Trudy Mezhdunar. Simpoziuma. Penza: Izd-vo PGU, 2016l1:153—155. (in Russian).
22. Kazraji S.M., Sharifyan M.B.B. A Predictive Control Model for an Induction Motor Linear Drive. Proc. 43rd IEEE Industrial Electronics Soc. Annual Conf. 2017:3736—3739.
23. Creppe R.C., Ulson J.A.C., Rodrigues J.F. Influence of Design Parameters on Linear Induction Motor End Effect. IEEE Trans. Energy Conversion. 2008;23;2:358—362.
24. Merlin Mary N.J., Ganguly C., Kowsalya M. Mathematical Modelling of Linear Induction Motor with and Without Considering End Effects Using Different Reference Frames. Proc. IEEE I Intern. Conf. Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems. 2016:1—5.
25. Cho H., Liu Y., Kim K.A. Short-primary Linear Induction Motor Modeling with End Effects for Electric Transportation Systems. Proc. Intern. Symp. Computer, Consumer and Control. 2018:338—341.
26. Kurilin S.P., Dli M.I., Sokolov A.M. Linear Induction Motors for Non-ferrous Metallurgy. Non-ferrous Metals. 2021;1:67—73.
27. Kurilin S.P., Rubin Yu.B., Dli M.I., Denisov V.N. Modeli i Metody Proektirovaniya Lineynykh Elektrodvigateley dlya Tsvetnoy Metallurgii. Tsvetnye Metally. 2021;11:83—90. (in Russian).
---
For citation: Kurilin S.P. A Mathematical Model for Layout Design of Linear Induction Motors. Bulletin of MPEI. 2023;3:11—20. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-3-11-20
---
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Grant No. 22-61-00096)
Опубликован
2023-02-14
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)