Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза
Выполнен поверочный тепловой расчет тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами посредством
 конечно-элементной цепно-полевой математической модели на платформе JMAG-Designer в трехмерной постановке
 задачи. Получено распределение температуры и графики нагрева деталей двиг...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2016 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147270 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза / А.В. Матющенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860268912784965632 |
|---|---|
| author | Матющенко, А.В. |
| author_facet | Матющенко, А.В. |
| citation_txt | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза / А.В. Матющенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Выполнен поверочный тепловой расчет тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами посредством
конечно-элементной цепно-полевой математической модели на платформе JMAG-Designer в трехмерной постановке
задачи. Получено распределение температуры и графики нагрева деталей двигателя. Проведен сравнительный анализ
расчетных и экспериментальных данных теплового состояния двигателя в часовом и длительном режимах работы.
Виконано перевірочний теплової розрахунок тягового вентильного двигуна з постійними магнітами за допомогою кінцево-елементної коло-польової математичної моделі на платформі JMAG-Designer в тривимірній постановці задачі.
Отримано розподіл температури і графіки нагріву деталей двигуна. Проведено порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних даних теплового стану двигуна в часовому і тривалому режимах роботи.
Purpose. The study was conducted to analyze thermal state of
the traction permanent magnet synchronous motor for mine
electric battery locomotive when operating in continuous and
short-time duty modes. These operating modes are selected for
study, as they are typical for mine electric locomotives. Methodology. Thermal calculation was performed by means of FEM
in three-dimensional formulation of problem using JmagDesigner. Results. The modeling results of thermal state of the
PMSM in continuous and short-time duty operation modes
showed good agreement with experimental results. The results
showed that the temperature of PM is higher than temperature
of the stator winding in continuous operation mode. It was found
that PM temperature might reach excessive values because of
the high presence of eddy current losses in neodymium PM.
Therefore, special attention in the design and testing of PMSM
should be paid to the temperature of PM in various operation
modes. Practical value. It was recommended to use high temperature permanent magnets in traction PMSM to avoid
demagnetization of PM and performance degradation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:04:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 15
© А.В. Матющенко
УДК 621.313.13 doi: 10.20998/2074-272X.2016.6.03
А.В. Матющенко
АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
Виконано перевірочний теплової розрахунок тягового вентильного двигуна з постійними магнітами за допомогою кінце-
во-елементної коло-польової математичної моделі на платформі JMAG-Designer в тривимірній постановці задачі.
Отримано розподіл температури і графіки нагріву деталей двигуна. Проведено порівняльний аналіз розрахункових і екс-
периментальних даних теплового стану двигуна в часовому і тривалому режимах роботи. Бібл. 7, табл. 2, рис. 10.
Ключові слова: вентильний двигун, нагрів, температура, втрати, постійний магніт, котушка, математична модель,
метод кінцевих елементів.
Выполнен поверочный тепловой расчет тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами посредством
конечно-элементной цепно-полевой математической модели на платформе JMAG-Designer в трехмерной постановке
задачи. Получено распределение температуры и графики нагрева деталей двигателя. Проведен сравнительный анализ
расчетных и экспериментальных данных теплового состояния двигателя в часовом и длительном режимах работы.
Библ. 7, табл. 2, рис. 10.
Ключевые слова: вентильный двигатель, нагрев, температура, потери, постоянный магнит (ПМ), катушка, математи-
ческая модель, метод конечных элементов.
Введение. Известно, что тяговые двигатели для
шахтных электровозов испытывают высокие электро-
магнитные и тепловые нагрузки в сложных условиях
окружающей среды при разных режимах работы. Это
накладывает определенные требования к виду испол-
нения, системе охлаждения и материалам, применяе-
мым в двигателе для обеспечения нужных эксплуата-
ционных характеристик. Поэтому важной задачей при
проектировании тягового вентильного двигателя с
постоянными магнитами (ВДПМ) является оценка его
теплового состояния, которая позволяет получить
информацию о продолжительности работы двигателя
в различных режимах и, при необходимости, скоррек-
тировать конструкцию для обеспечения необходимых
требований [1-4].
В работе [5] представлены результаты ООО «Элек-
тротехника-Новые технологии» (г. Одесса) по разработ-
ке и испытанию ВДПМ для шахтного электровоза. Был
отмечен перегрев обмотки статора при продолжитель-
ной работе ВДПМ в составе груженого электровоза мас-
сой 70,5 тонны. При этом данная нагрузка соответствует
часовому режиму работы ВДПМ.
Целью работы является поверочный тепловой
расчет и анализ теплового состояния тягового ВДПМ
[5] для шахтного аккумуляторного электровоза при
работе в часовом и длительном режимах. Данный
анализ служит основой для выработки рекомендаций
по улучшению конструкции тягового ВДПМ.
Объектом исследования является тяговый ВДПМ
для шахтного аккумуляторного электровоза, разрабо-
танный в ООО «Электротехника – Новые технологии»,
конструкция которого представлена на рис. 1. Основные
геометрическим размеры и обмоточные данные ВДПМ
приведены в табл. 1. Параметры исследуемых режимов
работы представлены в табл. 2.
Методы исследования. Наиболее детальную и
точную картину распределения температур позволяют
получить численные методы на основе метода конечных
элементов. Данные методы позволяют выполнить теп-
ловой расчет установившегося или переходного процес-
са теплообмена в трехмерной постановке задачи и опре-
делить температуру в любой части двигателя [3, 4].
Рис. 1. Явнополюсный ВДПМ с сосредоточенной обмоткой
статора: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вал; 4 – ПМ; 5 – полюс
статора; 6 – катушки обмотки статора; 7 – паз статора
Таблица 1
Геометрические размеры и обмоточные данные двигателя
Наименование Значение
Внешний диаметр статора, мм 360
Внутренний диаметр статора, мм 217
Число зубцов статора, 12
Длина активной части, мм 240
Число полюсов ротора 10
Число витков катушки обмотки, статора 10
Размеры магнитов (NdFeВ), мм 240×35,5×6,3
Воздушный зазор, мм 2,5
Таблица 2
Параметры режимов работы ВДПМ
Режим
Крутящий
момент, Н·м
Частота
вращения,
об/мин
Ток по-
требления,
A
Напряже-
ние пита-
ния, В
Часовой 210 600 130 120
Длитель-
ный
(2 часа)
100 760 70 120
16 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6
Ниже представлен поверочный тепловой расчет
исследуемого ВДПМ в программном пакете для чис-
ленных расчетов Jmag-Designer, а также анализ и со-
поставление расчетных и экспериментальных данных.
Первым этапом теплового расчета является соз-
дание 3D модели ВДПМ, которая должна быть доста-
точно детальной для адекватного описания свойств
конструкции ВДПМ и, кроме активной части, должна
содержать корпус, вал и пазовую изоляцию.
На рис. 2 показана подготовленная для расчетов
3D модель ВДПМ. Её детали смоделированы таким
образом, чтобы их размеры были близки к реальным.
Следует отметить, что форма деталей корпуса и вала
упрощена, но их объем равен объему реальных дета-
лей исследуемого ВДПМ. Данное упрощение позво-
ляет сократить время, затраченное на создание 3D
модели при сохранении основных свойств конструк-
ции для теплового расчета.
Вторым этапом является определение электриче-
ских и магнитных потерь в деталях двигателя. Для
этого был выполнен электромагнитный расчет ВДПМ
в часовом и длительном режимах работы с учетом
потерь на вихревые токи в стали и ПМ.
Для учета потерь на вихревые токи ротору ста-
тору и ПМ были присвоены соответствующие удель-
ные электрические сопротивления.
Для выполнения электромагнитного расчета к
катушкам обмотки статора (ОС) полевой модели
ВДПМ в редакторе цепей JMAG-Designer была под-
ключена электрическая цепь, состоящая из источника
постоянного напряжения, инвертора с широтно-
импульсной модуляцией, вольтметров и амперметра
(рис. 3). Управление ключами инвертора выполнялось
при помощи модели, реализующей векторное управ-
ление ВДПМ [6].
В качестве исходных данных режимов работы
ВДПМ в модели задавались напряжение питания, час-
тота вращения и момент нагрузки.
В результате электромагнитного расчета ВДПМ
были получены данные о потерях в статоре, роторе,
катушках ОС и ПМ. Результаты расчета потерь пока-
заны на рис. 4 и рис. 5.
Из рис. 4 и рис. 5 видно, что соотношение потерь
в катушках ОС и ПМ различно для исследуемых ре-
жимов работы ВДПМ. В длительном режиме работы
потери в ПМ превышают потери в катушках ОС.
Третьим этапом ясляется собственно расчет теп-
лового состояния ВДПМ, где рассчитывается пере-
ходный процесс нагрева двигателя в исследуемых
режимах работы.
Для проведения расчета каждой детали была на-
значена соответствующая теплоемкость и теплопро-
водность. На внешней поверхности корпуса было за-
дано граничное условие (3-го рода) теплоотдачи с
коэффициентом теплоотдачи 12 Вт/м2·°С, который
является средним для естественного охлаждения кон-
векцией подобных конструкций двигателей при нор-
мальных условиях [7].
Для каждой детали, которая является источни-
ком нагрева, были заданы рассчитанные ранее потери.
Кроме того, при расчете была учтена зависимость
электрических потерь в ОС от температуры.
Рис. 2. 3D модель ВДПМ с упрощенным корпусом
Рис. 3. Электрическая цепь цепно-полевой модели ВДПМ
Рис. 4. Электрические (ΔPsc) и магнитные (ΔPed) потери в
ВДПМ (часовой режим)
Рис. 5. Электрические (ΔPsc) и магнитные (ΔPed) потери в
ВДПМ (длительный режим)
Результаты исследований. На рис. 6, 7 пред-
ставлены результаты теплового расчета в виде рас-
пределения температуры и вектора теплового потока
для часового режима работы ВДПМ. Видно, что теп-
ло, выделяемое ротром и ПМ отводится через вал, а
тепло катушек ОС отводится через статор и корпус в
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 17
окружающую среду. Такое распределение теплового
потока является типичным для подобных электриче-
ских машин, что свидетельствует о правильности по-
становки задачи.
Рис. 6. Распределения температуры и теплового потока
(поперечное сечение ВДПМ)
Рис. 7. Распределения температуры и теплового потока
(продольное сечение ВДПМ)
На рис. 8 сопоставлены экспериментальные и
расчетные графики нагрева обмотки ВДПМ в часовом
и длетельном режимах работы. Испытания ВДПМ
проводились на стенде НПП «Энергия» [5].
Из рис. 8 видно хорошее совпадение результатов
расчета и эксперимента длительного режима. При
этом отличие между расчетом и экспериментом не
превышает 9 %.
В результате эксперимента было установлено,
что на 47 минуте работы ВДПМ в часовом режиме
сработала защита от перегрева. При этом температура
обмотки достигла 110 C. Данный факт также под-
тверждается результатами расчета. Максимальное
отличие между расчетом и экспериментом составляет
25 %. Это отличие можно объяснить неравномерно-
стью нагрузки на протяжении эксперимента.
На рис. 9, рис. 10 показаны графики нагрева де-
талей ВДПМ в часовом и длительном режимах рабо-
ты. Видно, что процесс нагрева в этих режимах раз-
личен. Так, например, температура ПМ в длительном
режиме работы большую часть расчетного времени
превышает температуру катушек ОС. Это можно объ-
яснить тем, что в длительном режиме ток потребле-
ния меньше, а частота вращения больше, чем в часо-
вом режиме работы. А, как известно, величина маг-
нитных потерь пропорциональна частоте перемагни-
чивания, а величина электрических потерь пропор-
циональна квадрату величины тока.
Рис. 8. Нагрев катушек ОС в часовом и длительном режиме
работы
Рис. 9. Нагрев деталей ВДПМ (часовой режим)
Рис. 10. Нагрев деталей ВДПМ (длительный режим)
18 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6
Также следует отметить, что в часовом режиме
работы температура ПМ достигла 82 C, что пре-
вышает максимально допустимую рабочую темпе-
ратуру низкотемпературных неодимовых ПМ. По-
этому во избежание потери свойств ПМ и ухучше-
ния рабочих характеристик для исследуемого
ВДПМ рекомендуется применять ПМ с рабочей
температурой 120 С и выше.
Выводы.
1. Результаты моделирования теплового состояния
ВДПМ в часовом и длительном режимах работы по-
казали хорошее соответствие с результатами экспе-
риментов. Различие между расчетом и экспериментом
длительного режима не превышает 9 %, а максималь-
ное расхождение результатов расчета и эксперимента
часового режима составляет 25 %.
2. В результате расчетов было установлено, что
температура ПМ может достигать высоких значений
из-за наличия в ПМ значительных потерь на вихревые
токи. Поэтому особое внимание при проектировании
и испытании ВДПМ следует обратить на температуру
ПМ в разных режимах работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lee S.-T., Kim H.-J., Cho J.-H., Joo D.-S., Kim D.-K.
Thermal Analysis of Interior Permanent-Magnet Synchronous
Motor by Electromagnetic Field-Thermal Linked Analysis //
Journal of Electrical Engineering and Technology. – Nov.2012.
– vol.7. – no.6. – pp. 905-910. doi: 10.5370/jeet.2012.7.6.905.
2. Mynarek P., Kowol M. Thermal analysis of a PMSM using
fea and lumped parameter modeling // Czasopismo Techniczne.
– 2015. – no.1-E(8). – pp. 97-107. doi:
10.4467/2353737XCT.15.031.3831.
3. Chin Y.K., Staton D.A. Transient thermal analysis using
both lumped-circuit approach and finite element method of a
permanent magnet traction motor // 2004 IEEE Africon. 7th
Africon Conference in Africa (IEEE Cat. No.04CH37590). doi:
10.1109/africon.2004.1406847.
4. Kefalas T.D., Kladas A.G. Finite element transient thermal
analysis of PMSM for aerospace applications // XXth Interna-
tional Conference on Electrical Machines, Sep. 2012. doi:
10.1109/icelmach.2012.6350246.
5. Рымша В.В., Радимов И.Н., Гулый М.В., Матющенко
А.В. Вентильный электропривод для рудничного аккумуля-
торного электровоза // Электротехнические и компьютер-
ные системы. – 2016. – №22(98). – C. 134-138.
6. Матющенко А.В. Расчет характеристик вентильных
двигателей с постоянными магнитами и их сравнительный
анализ // Электротехнические и компьютерные системы. –
2015. – №19(95). – C. 101-105.
7. Борисенко А.И. Охлаждение промышленных электриче-
ских машин. М.: Энергоиздат, 1983. – 296 с.
REFERENCES
1. Lee S.-T., Kim H.-J., Cho J.-H., Joo D.-S., Kim D.-K.
Thermal Analysis of Interior Permanent-Magnet Synchronous
Motor by Electromagnetic Field-Thermal Linked Analysis.
Journal of Electrical Engineering and Technology, Nov.2012,
vol.7, no.6, pp. 905-910. doi: 10.5370/jeet.2012.7.6.905.
2. Mynarek P., Kowol M. Thermal analysis of a PMSM using fea
and lumped parameter modeling. Czasopismo Techniczne, 2015,
no.1-E(8), pp. 97-107. doi: 10.4467/2353737XCT.15.031.3831.
3. Chin Y.K., Staton D.A. Transient thermal analysis using
both lumped-circuit approach and finite element method of a
permanent magnet traction motor. 2004 IEEE Africon. 7th Afri-
con Conference in Africa (IEEE Cat. No.04CH37590). doi:
10.1109/africon.2004.1406847.
4. Kefalas T.D., Kladas A.G. Finite element transient thermal
analysis of PMSM for aerospace applications. XXth Interna-
tional Conference on Electrical Machines, Sep. 2012. doi:
10.1109/icelmach.2012.6350246.
5. Rimsha V.V., Radimov I.N., Guliy M.V., Matyuschenko
A.V. Brushless motor for mining battery-electric locomotive.
Electrotechnic and computer systems, 2016, vol.22(98), pp. 134-
138. (Rus).
6. Matyuschenko A.V. Calculation of characteristics of perma-
nent magnet synchronous motor and their comparative analysis.
Electrotechnic and computer systems, 2015, vol.19(95), pp. 101-
105. (Rus).
7. Borisenko A.I. Ohlazhdenie promyshlennyh jelektricheskih
mashin [Cooling of industrial electric machinery]. Moscow,
Energoatomizdat Publ., 1983. 296 p. (Rus).
Поступила (received) 7.10.2016
Матющенко Александр Владимирович, аспирант,
Одесский национальный политехнический университет,
65044, Одесса, пр. Шевченко, 1,
e-mail: sparkam@rambler.ru
A.V. Matyuschenko
Оdessa National Polytechnic University,
1, Shevchenko Avenue, Odessa, 65044, Ukraine.
Analysis of thermal state of traction brushless permanent
magnet motor for mine electric locomotive.
Purpose. The study was conducted to analyze thermal state of
the traction permanent magnet synchronous motor for mine
electric battery locomotive when operating in continuous and
short-time duty modes. These operating modes are selected for
study, as they are typical for mine electric locomotives. Meth-
odology. Thermal calculation was performed by means of FEM
in three-dimensional formulation of problem using Jmag-
Designer. Results. The modeling results of thermal state of the
PMSM in continuous and short-time duty operation modes
showed good agreement with experimental results. The results
showed that the temperature of PM is higher than temperature
of the stator winding in continuous operation mode. It was found
that PM temperature might reach excessive values because of
the high presence of eddy current losses in neodymium PM.
Therefore, special attention in the design and testing of PMSM
should be paid to the temperature of PM in various operation
modes. Practical value. It was recommended to use high tem-
perature permanent magnets in traction PMSM to avoid
demagnetization of PM and performance degradation.
References 7, tables 2, figures 10.
Key words: brushless motor, heat generation, temperature,
losses, permanent magnet, coil, current, resistance, mathe-
matical model, FEM.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147270 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:04:31Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Матющенко, А.В. 2019-02-13T20:23:15Z 2019-02-13T20:23:15Z 2016 Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза / А.В. Матющенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 15-18. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.6.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147270 621.313.13 Выполнен поверочный тепловой расчет тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами посредством
 конечно-элементной цепно-полевой математической модели на платформе JMAG-Designer в трехмерной постановке
 задачи. Получено распределение температуры и графики нагрева деталей двигателя. Проведен сравнительный анализ
 расчетных и экспериментальных данных теплового состояния двигателя в часовом и длительном режимах работы. Виконано перевірочний теплової розрахунок тягового вентильного двигуна з постійними магнітами за допомогою кінцево-елементної коло-польової математичної моделі на платформі JMAG-Designer в тривимірній постановці задачі.
 Отримано розподіл температури і графіки нагріву деталей двигуна. Проведено порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних даних теплового стану двигуна в часовому і тривалому режимах роботи. Purpose. The study was conducted to analyze thermal state of
 the traction permanent magnet synchronous motor for mine
 electric battery locomotive when operating in continuous and
 short-time duty modes. These operating modes are selected for
 study, as they are typical for mine electric locomotives. Methodology. Thermal calculation was performed by means of FEM
 in three-dimensional formulation of problem using JmagDesigner. Results. The modeling results of thermal state of the
 PMSM in continuous and short-time duty operation modes
 showed good agreement with experimental results. The results
 showed that the temperature of PM is higher than temperature
 of the stator winding in continuous operation mode. It was found
 that PM temperature might reach excessive values because of
 the high presence of eddy current losses in neodymium PM.
 Therefore, special attention in the design and testing of PMSM
 should be paid to the temperature of PM in various operation
 modes. Practical value. It was recommended to use high temperature permanent magnets in traction PMSM to avoid
 demagnetization of PM and performance degradation. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза Analysis of thermal state of traction brushless permanent magnet motor for mine electric locomotive Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза Матющенко, А.В. Електричні машини та апарати |
| title | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| title_alt | Analysis of thermal state of traction brushless permanent magnet motor for mine electric locomotive |
| title_full | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| title_fullStr | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| title_full_unstemmed | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| title_short | Анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| title_sort | анализ теплового состояния тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами для шахтного электровоза |
| topic | Електричні машини та апарати |
| topic_facet | Електричні машини та апарати |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147270 |
| work_keys_str_mv | AT matûŝenkoav analizteplovogosostoâniâtâgovogoventilʹnogodvigatelâspostoânnymimagnitamidlâšahtnogoélektrovoza AT matûŝenkoav analysisofthermalstateoftractionbrushlesspermanentmagnetmotorformineelectriclocomotive |