Аналитический расчёт магнитоэлектрического вентильного двигателя и определение индуктивных параметров его обмоток

DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-24-34

УДК 621.313.13-047.72-028.45

ББК З291.5:З26-028

А.А. АФАНАСЬЕВ, В.С. ГЕНИН, Л.Н. ВАСИЛЬЕВА, Н.Н. ИВАНОВА, В.А. ВАТКИН, Д.А. ТОКМАКОВ

Ключевые слова

скалярный магнитный потенциал, магнитная индукция, магнитные листы, намагниченность, ферромагнитные среды, индуктивные параметры обмоток

Аннотация

Для реализации высоких динамических характеристик проектируемых вентильных двигателей и достижения должного качества переходных процессов в приводах сложных механизмов необходимо проведение исследований их электромагнитных и функциональных свойств с расчетом индуктивных параметров обмоток.

Цель исследования – анализ электромагнитных и функциональных характеристик магнитоэлектрического вентильного двигателя и определение индуктивных параметров его обмоток.

Материалы и методы. Единое магнитное поле машины разбивается на совокупность горизонтальных полос (сред), анализируемых независимо друг от друга. Приняты допущения, что магнитное поле в этих полосах является плоскопараллельным, а на границах выделяемых полос выполняются условия сопряжения: скалярные магнитные потенциалы и нормальные составляющие магнитной индукции не претерпевают скачка (разрыва). В качестве источников магнитного поля рассматриваются магнитодвижущая сила обмотки статора, коэрцитивная сила магнитов и намагниченности магнитомягких ферромагнитных сред. Выражения для описания скалярных магнитных потенциалов и нормальных составляющих магнитной индукции в выделенных полосах получены с помощью метода разделения переменных Фурье.

Результаты исследования. Выполнено исследование электромагнитных и функциональных характеристик двигателя с использованием математической модели магнитоэлектрического вентильного двигателя на основе технологии разделения переменных Фурье с разбиением активной области на однородные участки в виде магнитных листов. Модель позволяет определить магнитные индукции для любых координатных точек x и y активной области магнитной системы двигателя. Получены выражения, описывающие индуктивные параметры обмоток, приведены уравнения состояния двигателя для случая, когда токи в фазных обмотках статора в противофазе с их ЭДС холостого хода.

Выводы. Математические модели вентильных двигателей, построенные на основе метода разделения переменных Фурье, позволяют определить электромагнитные характеристики двигателей и индуктивные параметры обмоток, необходимые для расчёта переходных процессов. Наиболее эффективным является управление вентильным двигателем, при котором фазные токи находятся в противофазе с ЭДС холостого хода. В этом режиме с отсутствием продольного тока и коэффициентом мощности, близким к единице, уравнения состояния двигателя имеют второй порядок.

Литература

1. Аналитическое и численное моделирование магнитоэлектрических вентильных двигателей / А.А. Афанасьев, В.С. Генин, В.А. Ваткин и др. // Электричество. 2021. № 6. С. 72–78. DOI: 10.24160/0013-5380-2021-6-72-78.
2. Афанасьев А.А. Расчёт магнитоэлектрических вентильных двигателей методом разделения переменных Фурье // Электротехника, 2021. № 2. С. 21–27.
3. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Суслов К.В. Исследование работы самонастраивающегося прогностического регулятора скорости вращения ротора синхронного генератора на киберфизической модели турбогенераторной установки // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2022. Т. 15, № 2. С. 177–191. DOI: 10.17516/1999-494X-0381.
4. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М.: Госэнергоиздат, 1960. 312 с.
5. Иванников Ю.Н., Овсянников В.Н. Исследование температурного состояния моментного электродвигателя с ограниченным углом поворота ротора // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2022. Т. 30, № 2(74). С. 60–72. DOI: 10.14498/tech.2022.2.5.
6. Исмаилов А.У., Губашева Х.А. Перспективы замены редкоземельных элементов: новые разработки и экологически чистые альтернативы // Современные наука и образование: достижения и перспективы развития: сб. материалов XXX Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 7 июня 2023 г.): в 4 т. М.: Империя, 2023. Т. 4. С. 24–25.
7. Король В.И., Ланкин М.В., Ланкин А.М. Метод определения магнитных характеристик высококоэрцитивных постоянных магнитов с применением вейвлет-преобразования // Инженерный вестник Дона. 2021. № 6(78). С. 139–150.
8. Новгородские учёные разработали «умные» электродвигатели для буровых установок [Электронный ресурс]. URL: https://news.novgorod.ru/news/novgorodskie-uchnye-razrabotali-umnye-elektrodvigateli-dlya-burovykh-ustanovok–187824.html.
9. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники. Т. 3. Теория электромагнитного поля. М.: Энергия, 1969. 352 с.
10. Поливанов К.М. Ферромагнетики. М.: Госэнергоиздат, 1957. 256 с.
11. Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. М.: Физматлит, 2001. 576 с.
12. Проблемы применения редкоземельных постоянных магнитов в экстремальных условиях эксплуатации / И.И. Акимов, И.Н. Буряков, С.А. Кичко и др. // Русский инженер. 2021. № 3. С. 37–39.
13. Chrobak A. High and ultra-high coercive materials in spring-exchange systems – Review, simulations and perspective. Materials, 2022, vol. 15, no. 19, 6506. DOI: 10.3390/ma15196506.

Сведения об авторах

Афанасьев Александр Александрович – доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (afan39@mail.ru).

Генин Валерий Семенович – доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (v.s.genin@mail.ru).

Васильева Лидия Николаевна – кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (oln2404@mail.ru).

Иванова Надежда Николаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры математического и аппаратного обеспечения информационных систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (niva_mail@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7130-8588).

Ваткин Владимир Александрович – кандидат технических наук, главный конструктор отдела электрических машин, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (vatkinv@yandex.ru).

Токмаков Дмитрий Анатольевич – директор по развитию, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (tokmakov_da@mail.ru).

Формат цитирования

Афанасьев А.А., Генин В.С., Васильева Л.Н., Иванова Н.Н., Ваткин В.А., Токмаков Д.А. Аналитический расчёт магнитоэлектрического вентильного двигателя и определение индуктивных параметров его обмоток // Вестник Чувашского университета. – 2023. – № 4. – С. 24–34. DOI: 10.47026/1810-1909-2023-4-24-34.

Загрузить полный текст статьи