О применении численных методов для анализа магнитного поля в тяговых электрических машинах переменного тока

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. 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. 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. 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.

1. Гнутов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Молотилов Б. В., Миронов Л. В., Петренко А. Г. Холоднокатаные электротехнические стали: справ. изд. / под ред. Б. В. Молотилова. М.: Металлургия, 1989. 168 с.

18. Новиков Н. Н., Родионов И. Е., Шутько В. Ф. Синхронные двигатели: справ. для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 36 с.