vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2023-82-2-127-134https://elibrary.ru/fwcqxevestnikvniizht-667Research ArticleТехнические средства железнодорожного транспортаTECHNICAL MEANS OF RAILWAY TRANSPORTО применении численных методов для анализа магнитного поля в тяговых электрических машинах переменного токаApplication of numerical methods to the analysis of the magnetic field in AC traction machineshttps://orcid.org/0000-0001-8873-9800ЗуевА. С.ZuevA. S.

Зуев Александр Сергеевич - аспирант, РУТ (МИИТ).

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Author ID: 836869

Alexander S. Zuev - Postgraduate, Russian University of Transport.

127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.

Author ID: 836869

aleksandr-zuev-1987@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8847-0204ГлущенкоМ. Д.GluschenkoM. D.

Глущенко Михаил Дмитриевич - доктор технических наук, доцент, профессор, кафедра электропоездов и локомотивов, РУТ (МИИТ).

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

Author ID: 298452

Mikhail D. Glushchenko - Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Professor, Department of Electric trains and locomotives, Russian University of Transport.

127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.

Author ID: 298452

mr.gluschenko@mail.ruРоссийский университет транспортаРоссияRussian University of TransportRussian Federation202309062023822127134Copyright © Зуев А.С., Глущенко М.Д., 20232023Зуев А.С., Глущенко М.Д.Zuev A.S., Gluschenko M.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/667Введение

Введение. Настоящая статья посвящена изучению современного подхода к проектированию вращающихся электрических машин. Приведен обзор существующих программных пакетов для моделирования электромагнитных и тепловых процессов, использующих численные конечно-элементные методы, призванные прийти на смену анализу сосредоточенных параметров электрических схем замещения. Описан спектр задач, решаемых современными российскими исследователями электрических машин: исследование тягово-энергетических характеристик, анализ электромагнитных помех, шума и вибрации, моделирование и диагностика отказов. Цель исследования — изучить особенности применения современного программного пакета, подходящего для моделирования и визуализации магнитного поля в асинхронном тяговом электродвигателе ДТА-1200А электровоза ЭП20.

Материалы и методы

Материалы и методы. В исследовании применен численный конечно-элементный метод расчета с помощью прикладного программного пакета, в котором на основе данных из технической литературы, результатов испытаний и справочных материалов была синтезирована двухмерная компьютерная модель тягового двигателя для расчета магнитного поля, и формализован расчет выходных параметров.

Результаты

Результаты. В результате исследования был успешно апробирован один из существующих программных пакетов. Рассмотрены этапы геометрического построения сечения тягового электродвигателя, принципы задания и измерения физических явлений и возможности программы. Изложены особенности моделирования асинхронных электродвигателей. Исследованы возможности практического применения результатов моделирования магнитного поля для оценки магнитного потока, потокосцепления и потерь электроэнергии в тяговом двигателе. После синтеза компьютерной модели и проведения вычислений результаты компьютерного моделирования методом конечных элементов соотнеслись с теоретическими расчетными и экспериментальными данными.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Полученные результаты будут полезны разработчикам электрических машин и исследователям, занимающимся компьютерным моделированием асинхронных электрических машин. На основе представленной и верифицированной расчетной компьютерной модели могут быть выполнены исследования, направленные на улучшение характеристик тяговых электродвигателей, совершенствование и оптимизацию их конструкции, а также создание цифровых двойников электрических машин.

Introduction

Introduction. This article examines the current approach to the design of rotating electrical machines. An overview is given of existing software packages for modelling electromagnetic and thermal processes using numerical finite element methods, designed to replace concentrated parameter analysis of electrical equivalent circuits. It describes how modern Russian researchers solve a wide range of problems, from studying traction performance, to analysing electromagnetic disturbances, noise and vibration, to modelling and diagnosing faults. The aim of the study is to investigate the features of a modern software package suitable for modelling and visualising the magnetic field in the induction traction motor DTA-1200A of the electric locomotive EP20.

Materials and methods

Materials and methods. The study applies a numerical finite element calculation method using an application software package that synthesises a two-dimensional computer model of the traction motor to calculate the magnetic field and formalises the calculation of output parameters based on data from technical literature, test results and reference materials. Results. One of the existing software packages is successfully piloted as a result of the study. The steps involved in the geometric construction of a traction motor cross section, the principles of setting and measuring physical phenomena, and the capabilities of the software are reviewed. The modelling characteristics of asynchronous electric motors are described. The practical application of magnetic field modelling results to estimate magnetic flux, flux linkage and power loss in a traction motor is studied. After synthesis of the computer model and calculations, the results of the finite element computer modelling are correlated with theoretical design and experimental test data.

Discussion and conclusion. The results of the study are expected to be useful to electrical machine designers and researchers involved in computer modelling of induction electric machines. On the basis of the computer model presented and verified, research could be carried out to improve the performance of traction motors, to improve and optimise their design and to create digital twins of electric machines.

электровозасинхронный тяговый электродвигательДТА-1200Амагнитное полемоделированиевизуализация поляelectric locomotiveinduction traction motorDTA-1200Amagnetic fieldsimulationfield visualisationReferencesГнутов С. К., Раецкая О. В. Подход к численному моделированию физических полей в стартерных электродвигателях // Вопросы электротехнологии. 2019. № 2 (23). С. 46-50 [Gnutov S. K., Raetskaya O. V. An approach to numerical modeling of physical fields in starter electric motors. Journal of Electrotechnics. 2019;(2):46-50. (In Russ.)]. EDN: https://www.elibrary.ru/zkwkyr.Gnutov S. K., Raetskaya O. V. An approach to numerical modeling of physical fields in starter electric motors. Journal of Electrotechnics. 2019;(2):46-50. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/zkwkyr.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019662303 Российская Федерация. Построение сетки граничных элементов для метода граничных интегральных уравнений (pFields: геометрия): № 2019661086: заявл. 10.09.2019: опубл. 20.09.2019 / Денисов П. А. 1 c.Denisov P. A. Certificate of State Registration of Computer Program No. 2019662303 Russian Federation. Constructing a Boundary Element Mesh for the Boundary Integral Equation Method (pFields: Geometry): No. 2019661086: appl. 10.09.2019: publ. 20.09.2019. 1 p. (In Russ.).Автайкин И. Н., Квон А. М. Сравнительный анализ эффективности использования активных материалов радиальных и аксиальных асинхронных машин электропривода технологических установок // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2019. № 1 (367). С. 70-72. http://doi.org/10.26297/0579-3009.2019.1.17.Avtaykin I. N., Kvon A. M. Comparative analysis of the efficiency of the use of active materials of radial and axial asynchronous machines of the electric drive of technological installations. Izvestiya vuzov. Food Technology. 2019;(1):70-72 (In Russ.). http://doi.org/10.26297/0579-3009.2019.1.17.Бельский И. О. Численное моделирование параметров магнитного поля при обрыве стержней асинхронных электродвигателей машиностроительного производства // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. Т. 57, № 1. С. 60-70. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2018.1(57).60-70.Belskiy I. O. Numerical modeling of magnetic field parameters of the asynchronous electric motors with broken bars in machine-building production. Modern technologies. System analysis. Modeling. 2018:57(1):60-70 (In Russ.). https://doi.org/10.26731/1813-9108.2018.1(57).60-70.Бельский И. О., Лукьянов А. В. Математическое, численное и натурное моделирование параметров магнитного поля при несимметрии тока в фазах асинхронных электродвигателей // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 2 (38). С. 44-53. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-44-53.Belskiy I. O., Lukyanov A. V. Mathematical, numerical and full-scale modeling of magnetic field parameters in the asynchronous electric motors with nonsymmetrical current phases. Systems. Methods. Technologies. 2018;(2):44-53 (In Russ.). https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-44-53.Повышение удельных характеристик асинхронных двигателей / К. Е. Кононенко [и др.] // Электричество. 2020. № 9. С. 34-39. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-9-34-39.Kononenko K. E., Kononenko A. V., Krutskikh S. V., Manukovskiy S. M. Improving the Specific Characteristics of Induction Motors. Electrichestvo. 2020;(9):34-39 (In Russ.). https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-9-34-39.Разработка и исследование тягового синхронного электродвигателя с инкорпорированными в ротор магнитами для электромобиля / Ю. Б. Казаков [и др.] // Вопросы электротехнологии. 2022. № 2 (35). С. 89-97. EDN: https://www.elibrary.ru/vrbtem.Kazakov Yu. B., Stulov A. V., Nikiforov M. I., Kiselev M. A. Development and research of a traction synchronous electric motor with magnets incorporated in the rotor for an electric vehicle. Journal of Electrotechnics. 2022;(2):89-97. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/vrbtem.Симаков А. В., Огневский А. С. Моделирование режимов работы тягового электродвигателя методом конечных элементов // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы науч. конф., посвященной Дню российской науки, Омск, 8 февраля 2019 г. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск: ОмГУПС, 2019. С. 196-201. EDN: https://www.elibrary.ru/uzoskz.Simakov A. V., Ognevskiy A. S. The traction motor operating modes modelling with the finite element metod. In: Innovative projects and technologies in education, industry and transport: Proceedings of scientific conference devoted to the Day of Russian Science, Omsk, 8 February 2019. Omsk: OmGUPS; 2019. p. 196-201. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/uzoskz.Глущенко М. Д., Горюнов И. О. Особенности расчета магнитного поля электрических машин // Электроника и электрооборудование транспорта. 2018. № 6. С. 5-8. EDN: https://www.elibrary.ru/yuiwqh.Glushchenko M. D., Goryunov I. O. Characteristics of the calculation of electric machine's magnetic field. Elektronika i elektrooborudovanie transporta. 2018;(6):5-8 (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/yuiwqh.Применение специализированного программного обеспечения для расчета распределения магнитного поля в витках обмотки статора вентильно-индукторных электродвигателей / В. В. Сироткин [и др.] // Инновационные транспортные системы и технологии. 2022. Т. 8, № 4. С. 58-73. https://doi.org/10.17816/transsyst20228458-73.Sirotkin V. V., Pigalev D. A., Bol'shikh I. V., Chernyaev S. S. Application of specialized software for calculation of magnetic field in the turns of switched reluctance motors stator windings. Modern Transportation Systems and Technologies. 2022;8(4):58-73. (In Russ.). https://doi.org/10.17816/transsyst20228458-73.Расчет параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины магнитостатического поля / С. В. Волков [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 8. С. 482-489. https://doi.org/10.17587/mau.20.482-489.Volkov S. V., Goryachev O. V., Efromeev A. G., Stepochkin A. O. Calculation of the Parameters of a Mathematical Model of an Electric Hybrid Stepper Motor Based on the Analysis of the Magneto Static Field Pattern. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie. 2019;20(8):482-489. (In Russ.). https://doi.org/10.17587/mau.20.482-489.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022669927 Российская Федерация. Программа для исследования магнитного шума и вибрации асинхронного электродвигателя: № 2022669399: заявл. 21.10.2022: опубл. 26.10.2022 / Ермолаев А. И., Гордеев Б. А., Охулков С. Н., Титов Д. Ю. 1 c.Ermolaev A. I., Gordeev B. A., Okhulkov S. N., Titov D. Yu. Certificate of State Registration of Computer Program No. 2022669927 Russian Federation. Programme for the investigation of magnetic noise and vibration of an asynchronous drive: No. 2022669399: appl. 21.10.2022: publ. 26.10.2022. 1 p. (In Russ.).Исследование магнитной вибрации асинхронного электродвигателя посредством мкэ-моделирования / А. И. Ермолаев [и др.] // Интеллектуальная электротехника. 2021. № 3 (15). С. 37-56. https://doi.org/10.46960/2658-6754_2021_3_37.Ermolaev A. I., Erofeev V. I., Plekhov A. S., Titov D. Yu. Study of magnetic vibration occurring in induction motor using FEM simulation. Smart Electrical Engineering. 2021;(3):37-56 (In Russ.). https://doi.org/10.46960/2658-6754_2021_3_37.Сравнение методов расчета электромагнитных процессов на примере цилиндрического линейного вентильного двигателя / Д. А. Чирков [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2018. № 4 (28). С. 76-91. EDN: https://www.elibrary.ru/vqadwu.Chirkov D. A., Klyuchnikov A. T., Korotaev A. D., Timashev E. O. Comparison of electromagnetic processes calculation methods on the example of a cylindrical linear electronic motor. PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems. 2018;(4):76-91. (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/vqadwu.Авдеев А. И. Автоматизация расчета магнитного поля асинхронного электродвигателя в программе FEMM // Информационные технологии, энергетика и экономика (электроэнергетика, электротехника и теплоэнергетика, математическое моделирование и информационные технологии в производстве): сб. тр. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, Смоленск, 22-23 апреля 2021 г.: в 3 т. Смоленск: Универсум, 2021. Т. 1. С. 121-126. EDN: https://www.elibrary.ru/jxydoe.Avdeev A. I. Automation of calculation of magnetic field of asynchronous electric drive in the programme FEMM. In: Information technologies, power engineering and economy (power engineering, electrical engineering and thermal power engineering, mathematical modelling and information technologies in production): Proceedings of XVIII International Scientific and Technical Conference of Students and Postgraduates, Smolensk, 22—23 April 2021: in 3 vol. Smolensk: Universum; 2021. Vol. 1. p. 121-126 (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/jxydoe.Захаров В. И. Параметры, характеристики и конструктивные особенности асинхронного тягового двигателя ДТА- 1200А электровоза ЭП20 // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2009. № 2. С. 55-66. EDN: https://www.elibrary.ru/kxotud.Zakharov V. I. Parameters, characteristics and design features of the DTA-1200A asynchronous traction engine of the EP20 electric locomotive. Journal of the All-Russian research and development institute of electric locomotives. 2009;(2):55-66 (In Russ.). EDN: https://www.elibrary.ru/kxotud.Молотилов Б. В., Миронов Л. В., Петренко А. Г. Холоднокатаные электротехнические стали: справ. изд. / под ред. Б. В. Молотилова. М.: Металлургия, 1989. 168 с.Molotilov B. V., Mironov L. V., Petrenko A. G. Cold-rolled Electrotechnical Steels: Reference Manual. Moscow: Metallurgiya; 1989. 168 p. (In Russ.).Новиков Н. Н., Родионов И. Е., Шутько В. Ф. Синхронные двигатели: справ. для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 36 с.Novikov N. N., Rodionov I. E., Shut'ko V. F. Synchronous engines: Handbook for students of electrical engineering and power engineering. Ekaterinburg: UGTU-UPI; 2005. 36 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.