Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors
Introduction. The paper is devoted to improving the designs of three-phase induction motors (TIMs) based on the application of numerical calculations of their magnetic fields. Considering that the classical system for designing TIMs does not always provide sufficient accuracy of their design paramet...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | English Ukrainian |
| Published: |
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://eie.khpi.edu.ua/article/view/347595 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Electrical Engineering & Electromechanics |
Institution
Electrical Engineering & Electromechanics| _version_ | 1856543545221971968 |
|---|---|
| author | Milykh, V. I. |
| author_facet | Milykh, V. I. |
| author_sort | Milykh, V. I. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-01-01T22:10:06Z |
| description | Introduction. The paper is devoted to improving the designs of three-phase induction motors (TIMs) based on the application of numerical calculations of their magnetic fields. Considering that the classical system for designing TIMs does not always provide sufficient accuracy of their design parameters, this task is relevant and therefore the developed motors require experimental refinement and additional time and money accordingly. Problem. In classic design of TIMs, magnetic calculations are performed based on magnetic circuit theory. The magnetic circuit of TIMs is divided into conditionally homogeneous sections, on which the magnetic quantities are considered to be distributed evenly, but their real distribution is much more complicated. This approach leads to error in determining the electromagnetic parameters of TIMs and, as a result, inaccuracies in energy, mechanical, thermal, etc. calculations. The goal of the paper is to further develop the existing system for designing TIMs by refining it using numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters. Methodology. The methodology is based on numerical-field verification and refinement of classical design of TIMs. It is strictly deterministic, despite the complexity of linear and nonlinear interrelationships of its structural, electromagnetic, and energy parameters, and therefore it is amenable to adequate algorithmization and programming using iterative calculations. The theoretical foundations of the methodology are reinforced by harmonic analysis of time functions of electromagnetic quantities and a refined determination of the differential leakage resistance of the stator winding. The tool for implementing the methodology is the FEMM program in conjunction with the created Lua scripts. Results. Numerical-field calculations of the electromagnetic and energy parameters of the test TIM developed according to the classical design were performed. This motor has been tested within the synchronous idle and rated load conditions. This demonstrated a sufficiently high efficiency of the provided theoretical and practical foundations of numerical-field calculations and revealed that the TIM project does not meet the declared power and voltage requirement. To reach their nominal values, the method for refining the magnetizing current of the stator winding and the rotor slip is provided. Scientific novelty of this paper is the system of numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters of TIMs, which, in conjunction with the iterative process, ensures its output to the specified nominal stator winding voltage and output power while simultaneously varying the magnetizing current and slip. Practical value. The methodology of numerical-field calculations of TIMs based on the FEMM program and the Lua script is recommended to be integrated into the automated design system for these motors. In addition to verifying and refining the parameters of the designed TIMs, the developed methodology and program can be used to obtain a set of refined operating characteristics in an automated calculation mode. References 29, tables 5, figures 9. |
| first_indexed | 2026-02-08T08:04:56Z |
| format | Article |
| id | eiekhpieduua-article-347595 |
| institution | Electrical Engineering & Electromechanics |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2026-02-08T08:04:56Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | eiekhpieduua-article-3475952026-01-01T22:10:06Z Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors Теорія і практика чисельно-польового аналізу та уточнення електромагнітних та енергетичних параметрів в проєктах трифазних асинхронних двигунів Milykh, V. I. three-phase induction motor automated numerical-field calculations magnetic field FEMM electromagnetic and energy parameters verification and refinement of design data трифазний асинхронний двигун автоматизовані чисельно-польові розрахунки магнітне поле FEMM електромагнітні і енергетичні параметри перевірка та уточнення проєктних даних Introduction. The paper is devoted to improving the designs of three-phase induction motors (TIMs) based on the application of numerical calculations of their magnetic fields. Considering that the classical system for designing TIMs does not always provide sufficient accuracy of their design parameters, this task is relevant and therefore the developed motors require experimental refinement and additional time and money accordingly. Problem. In classic design of TIMs, magnetic calculations are performed based on magnetic circuit theory. The magnetic circuit of TIMs is divided into conditionally homogeneous sections, on which the magnetic quantities are considered to be distributed evenly, but their real distribution is much more complicated. This approach leads to error in determining the electromagnetic parameters of TIMs and, as a result, inaccuracies in energy, mechanical, thermal, etc. calculations. The goal of the paper is to further develop the existing system for designing TIMs by refining it using numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters. Methodology. The methodology is based on numerical-field verification and refinement of classical design of TIMs. It is strictly deterministic, despite the complexity of linear and nonlinear interrelationships of its structural, electromagnetic, and energy parameters, and therefore it is amenable to adequate algorithmization and programming using iterative calculations. The theoretical foundations of the methodology are reinforced by harmonic analysis of time functions of electromagnetic quantities and a refined determination of the differential leakage resistance of the stator winding. The tool for implementing the methodology is the FEMM program in conjunction with the created Lua scripts. Results. Numerical-field calculations of the electromagnetic and energy parameters of the test TIM developed according to the classical design were performed. This motor has been tested within the synchronous idle and rated load conditions. This demonstrated a sufficiently high efficiency of the provided theoretical and practical foundations of numerical-field calculations and revealed that the TIM project does not meet the declared power and voltage requirement. To reach their nominal values, the method for refining the magnetizing current of the stator winding and the rotor slip is provided. Scientific novelty of this paper is the system of numerical-field calculations of electromagnetic and energy parameters of TIMs, which, in conjunction with the iterative process, ensures its output to the specified nominal stator winding voltage and output power while simultaneously varying the magnetizing current and slip. Practical value. The methodology of numerical-field calculations of TIMs based on the FEMM program and the Lua script is recommended to be integrated into the automated design system for these motors. In addition to verifying and refining the parameters of the designed TIMs, the developed methodology and program can be used to obtain a set of refined operating characteristics in an automated calculation mode. References 29, tables 5, figures 9. Вступ. Робота присвячена удосконаленню проєктів трифазних асинхронних двигунів (ТАД) на основі застосування чисельних розрахунків їхніх магнітних полів. Така задача є актуальною, зважаючи не те, що класична система проєктування ТАД не завжди забезпечує достатню точність їхніх проєктних параметрів, тому розроблювані двигуні потребують експериментальної доводки і відповідно додаткових витрат часу та коштів. Проблема. При класичному проєктуванні ТАД магнітний розрахунок виконується на основі теорії магнітних кіл. Магнітопровід ТАД розділяють на умовно однорідні ділянки, на яких магнітні величини вважаються розподіленими рівномірно, проте реальний їхній розподіл є набагато складнішим. Такий підхід призводить до похибки визначення електромагнітних параметрів ТАД, і, як наслідок, неточності енергетичних, механічних, теплових тощо розрахунків. Метою роботи є подальший розвиток системи проєктування ТАД шляхом її уточнення за допомогою чисельно-польових розрахунків електромагнітних та енергетичних параметрів. Методика побудована на чисельно-польовій перевірці та уточненні класичного проєктування ТАД. Вона є суворо детермінованою, незважаючи на складність лінійних та нелінійних взаємозв’язків конструктивних, електромагнітних та енергетичних його параметрів,тому піддається адекватній алгоритмізації і програмуванню із застосуванням ітераційних розрахунків. Теоретичні основи методики підсилені гармонічним аналізом часових функцій електромагнітних величин та уточненим визначенням диференціального опору розсіювання обмотки статора. Інструментом реалізації методики є програма FEMM у сукупності зі створеними скриптами Lua. Результати. Виконано чисельно-польові розрахунки електромагнітних та енергетичних параметрів тестового ТАД, розробленого за класичним проєктом. Цей двигун перевірено у межах режимів синхронного неробочого ходу та номінального навантаження. Це показало достатньо високу ефективність наданих теоретичних і практичних основ чисельно-польових розрахунків і виявило, що проєкт ТАД не відповідає заявленим потужності та напрузі. Для виходу на їхні номінальні значення надано шлях уточнення намагнічувального струму обмотки статора і ковзання ротора. Науковою новизною в роботі є система чисельно-польових розрахунків електромагнітних та енергетичних параметрів ТАД, яка у сукупності з ітераційним процесом забезпечує його вивід на задані номінальні напругу обмотки статора і вихідну потужність при одночасному варіюванні намагнічюівального струму та ковзання. Практична цінність. Методику чисельно-польових розрахунків ТАД на базі програми FEMM і скрипту Lua рекомендовано вбудовувати в автоматизовану систему проєктування цих двигунів. Окрім перевірки і уточнення параметрів проєктованих ТАД, за розробленими методикою і програмою можна отримати в автоматизованому розрахунковому режимі сім’ю уточнених його робочих характеристик. Бібл. 29, табл. 5, рис. 9. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2026-01-02 Article Article application/pdf application/pdf http://eie.khpi.edu.ua/article/view/347595 10.20998/2074-272X.2026.1.01 Electrical Engineering & Electromechanics; No. 1 (2026); 3-14 Электротехника и Электромеханика; № 1 (2026); 3-14 Електротехніка і Електромеханіка; № 1 (2026); 3-14 2309-3404 2074-272X en uk http://eie.khpi.edu.ua/article/view/347595/334566 http://eie.khpi.edu.ua/article/view/347595/334567 Copyright (c) 2025 V. I. Milykh http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | three-phase induction motor automated numerical-field calculations magnetic field FEMM electromagnetic and energy parameters verification and refinement of design data Milykh, V. I. Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title | Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title_alt | Теорія і практика чисельно-польового аналізу та уточнення електромагнітних та енергетичних параметрів в проєктах трифазних асинхронних двигунів |
| title_full | Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title_fullStr | Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title_full_unstemmed | Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title_short | Theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| title_sort | theory and practice of numerical-field analysis and refinement of electromagnetic and energy parameters in the designs of three-phase induction motors |
| topic | three-phase induction motor automated numerical-field calculations magnetic field FEMM electromagnetic and energy parameters verification and refinement of design data |
| topic_facet | three-phase induction motor automated numerical-field calculations magnetic field FEMM electromagnetic and energy parameters verification and refinement of design data трифазний асинхронний двигун автоматизовані чисельно-польові розрахунки магнітне поле FEMM електромагнітні і енергетичні параметри перевірка та уточнення проєктних даних |
| url | http://eie.khpi.edu.ua/article/view/347595 |
| work_keys_str_mv | AT milykhvi theoryandpracticeofnumericalfieldanalysisandrefinementofelectromagneticandenergyparametersinthedesignsofthreephaseinductionmotors AT milykhvi teoríâípraktikačiselʹnopolʹovogoanalízutautočnennâelektromagnítnihtaenergetičnihparametrívvproêktahtrifaznihasinhronnihdvigunív |