Verification of numerical model of hybrid EMS using test bench measurements at large air gap
- Authors: Amoskov V.M.1, Arslanova D.N.1, Belov A.A.1, Vasiliev V.N.1, Deomidov V.V.1, Zaytzev A.A.2, Kaparkova M.V.1, Kukhtin V.P.1, Labusov A.N.1, Lamzin E.A.1, Larionov M.S.1, Nezhentzev A.N.1, Ovsyannikov D.A.3, Ovsyannikov Jr D.A.4,1, Rodin I.Y.1, Sytchevsky S.E.3,1, Firsov A.A.1, Firsova T.A.1, Shatil N.A.1
-
Affiliations:
- Joint Stock Company “NIIEFA”
- Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
- St. Petersburg State University
- St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
- Issue: Vol 8, No 1 (2022)
- Pages: 28-37
- Section: Original studies
- URL: https://transsyst.ru/transj/article/view/105518
- DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20228128-37
Cite item
Full Text
Abstract
Aim: The study was focused on measurement of the lifting force of a hybrid EMS (HEMS) prototype. The measured data were used to verify numerical models.
Materials and Methods: Measurements were performed on a certified test bench at a large air gap (13 mm, 17 mm). The measured data were compared with results of numerical experiments.
Results: A comparison of measured and simulated parameters have proved reliability of numerical models.
Conclusions: A prototype of HEMS for maglev transport has been built and bench tested at JSC “NIIEFA”. The results obtained will be used to establish measurement, prototyping, and inspection procedures for series production.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Для систем активного магнитного подвеса [1] в АО «НИИЭФА» разработаны прототипы серийных гибридных электромагнитов (ГЭМ) [2]. В магнитную цепь этих магнитов в качестве источников поля одновременно включены токовые катушки и высококоэрцитивные постоянные магниты. В ряде работ (см. например, [3–9]) указано, что такие магниты обладают определенными преимуществами перед электромагнитами традиционного исполнения. Их существенным достоинством является, в частности, пониженное энергопотребление.
РАЗРАБОТКА ГИБРИДНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТА В АО «НИИЭФА»
В АО «НИИЭФА» предложены варианты исполнения ГЭМ [2], защищенные патентами РФ [10, 11].
На Рис. 1, заимствованном из [2], схематически показан возможный вариант применения ГЭМ в реализуемой на практике технологии магнитолевитационных транспортных систем (МЛТС).
Рис. 1. Вариант российской МЛТС с ЭМП [2]
Предложенная конструкция обеспечивает практически полное отсутствие магнитных полей рассеяния вне замкнутой магнитной цепи, что обеспечивает высокие экологические характеристики системы и ее электромагнитную совместимость.
Разработанная российская вычислительная технология, которая базируется на зарегистрированном в РОСПАТЕНТе российском комплексе вычислительных программ КОМРОТ [12], позволяет создавать детальные вычислительные модели магнитов любых требуемых грузоподъемности и габаритов, выполнять оптимизацию их конструкции [13, 14].
В подвесе используются ГЭМ; в состав ГЭМ входят: стальной магнитопровод, токовая катушка и постоянные Nd-Fe-B магниты; слева показано сечение ГЭМ, в котором буквой М помечены постоянные магниты, буквой I обозначена токовая катушка, выделены стальной магнитопровод ГЭМ и над ним стальная направляющая, закрепляемая на путевой структуре, показаны линии магнитного поля в магнитопроводе и воздушном левитационном зазоре
В АО «НИИЭФА» разработан прототип серийного гибридного электромагнита. Основные технические параметры изготовленного магнита приведены в Табл. 1 [2].
Таблица 1. Параметры гибридного электромагнита АО «НИИЭФА»
Сечение токовой катушки, мм2 | 1450 |
Коэффициент заполнения проводника медью | 0,8 |
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт | 240 |
Проводник марки ПЭЭИП2-155, мм2 | 1,12х3,55 (1,28×3,71 в изол.) |
Количество витков проводника в катушке | 306 |
Максимальный ток (стационарный), А | 10 |
Максимальный ток (кратковременный), А | 15 |
Индуктивность (при зазоре 5 мм), мГн | 150 (I=13 А) и 300 (I=0 А) |
Индуктивность (при зазоре ∞), мГн | 180 (I=0 А) |
Собственная индуктивность катушки, мГн | 25 |
Сопротивление обмотки, Ом | 2 |
Марка постоянных Nd-Fe-B магнитов | N48SH |
Размеры Д×Ш×В, мм | 650×130×89 |
Вес, Н | 450 |
В работе [2] подробно описаны результаты измерения силовых характеристик магнита на специализированном сертифицированном стенде АО «НИИЭФА».
Измерения пространственных распределений электромагнитных сил и магнитных полей сопоставлены с данными численного моделирования. Получено совпадение результатов с требуемой на практике точностью, что подтверждает достоверность численного моделирования и позволяет в дальнейшем перейти к созданию электронных моделей подвесов.
Прототип продемонстрировал характерное для ГЭМ пониженное энергопотребление и подтвердил правильность предложенной авторами схемы магнитной системы, отличающейся низким уровнем полей рассеяния.
Полученные данные позволят в дальнейшем выполнить необходимую модернизацию стенда, технологической и измерительной оснастки, а также методик и программ измерений для организации выходного контроля серийных образцов ГЭМ.
ИЗМЕРЕНИЯ ГЭМ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ АО ИНЦ «ТЭМП» И СОПОСТАВЛЕНИЕ С ДАННЫМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ
Для подтверждения достоверности вычислительной модели параметры магнита также были измерены на испытательной установке АО ИНЦ «ТЭМП». Силовые характеристики измерялись при больших величинах левитационного зазора (13 мм, 17 мм).
Стендовая установка И142 предназначена для измерения подъемных сил электромагнитов. Гибридный электромагнит был установлен на горизонтальную балку измерительной установки, см. Рис. 2. Стальная плита, имитирующая путевую структуру, устанавливалась над рабочей поверхностью полюсов ГЭМ с помощью прокладок, толщина которых подбиралась таким образом, чтобы обеспечить необходимые величины зазора между полюсами ГЭМ и плитой.
Рис. 2. Гибридный электромагнит на испытательной установке АО ИНЦ «ТЭМП»
На Рис. 3 приведены результаты сопоставления измеренных и рассчитанных электромагнитных сил.
Рис. 3. Результаты сравнения расчетных данных с обработанными результатами измерений
Как и в работе [2] следует отметить влияние прогиба стальной плиты, имитирующей путевую структуру. Для зазора 13 мм при увеличении величины рабочего тока выше 6–7 А наблюдается отклонение результатов измерений силы от расчетных значений в сторону их увеличения. Это объясняется нарастающим прогибом стальной плиты (уменьшающимся зазором) при увеличении пондеромоторной силы свыше 3000 Н. Величина прогиба на максимальном токе достигала величины в 1 мм.
ВЫВОДЫ
В АО «НИИЭФА» разработан и изготовлен полномасштабный прототип серийного образца гибридного электромагнита подвеса МЛТС. Прототип исследован при широкой вариации величины магнитолевитационного зазора.
Измерения электромагнитных сил, создаваемых ГЭМ, проведены на сертифицированном специализированном стенде АО «НИИЭФА» для сравнительно малых величин зазоров. Измерения сил для больших величин зазоров проведены на любезно предоставленной испытательной установке АО «ИНЦ «ТЕМП».
В обоих случаях получено совпадение результатов натурного и численного моделирования с требуемой на практике точностью.
На основании выполненных работ будут подготовлены рекомендации по модернизации стенда АО «НИИЭФА», измерительной и технологической оснастки, методике и программе измерений, организации процедуры выходного контроля серийных гибридных магнитов.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при частичной поддержке Фонда Академика Василия Андреевича Глухих.
Авторы признательны В.П. Занину, А.Т. Горелову и А.А. Голенко за организацию измерений левитационной силы макета гибридного электромагнита на испытательной установке в АО ИНЦ «ТЭМП».
Авторы заявляют, что:
- У них нет конфликта интересов;
- Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.
About the authors
Victor M. Amoskov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: amoskov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9781-9116
SPIN-code: 2436-3828
Scopus Author ID: 6701846033
PhD in Physics and Mathematics
Russian Federation, St. PetersburgDarya N. Arslanova
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: arslanova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3791-723X
SPIN-code: 3234-8141
MSc
Russian Federation, St. PetersburgAndrei A. Belov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: andrewthewhite@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7040-6741
SPIN-code: 6291-0480
MSc
Russian Federation, St. PetersburgVyacheslav N. Vasiliev
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: vvnm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1218-6274
SPIN-code: 5444-8639
MSc
Russian Federation, St. PetersburgValery V. Deomidov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: deomidov@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-2795-8342
SPIN-code: 5931-9704
MSc
Russian Federation, St. PetersburgAnatoly A. Zaytzev
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
Email: nocpp@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-1342-8036
SPIN-code: 9477-4316
PhD, DSc in Economics
Russian Federation, St. PetersburgMarina V. Kaparkova
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: kaparkova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3489-5581
SPIN-code: 6881-2266
MSc
Russian Federation, St. PetersburgVladimir P. Kukhtin
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: kukhtin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6925-6141
SPIN-code: 1628-3135
PhD in Physics and Mathematics
Russian Federation, St. PetersburgAlexey N. Labusov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: labusov@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0003-2264-677X
SPIN-code: 4734-7358
PhD in Physics and Mathematics
Russian Federation, St. PetersburgEvgeny A. Lamzin
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: lamzin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6072-5711
SPIN-code: 8287-7879
PhD, DSc in Physics and Mathematics
Russian Federation, St. PetersburgMikhail S. Larionov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: larionov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8570-7210
SPIN-code: 1631-3598
MSc
Russian Federation, St. PetersburgAndrey N. Nezhentzev
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: nezhentzev-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8724-7211
SPIN-code: 7319-8924
MSc
Russian Federation, St. PetersburgDmitry A. Ovsyannikov
St. Petersburg State University
Email: d.a.ovsyannikov@spbu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0829-2023
SPIN-code: 7762-9740
DSc in Physics and Mathematics, Full Professor
Russian Federation, St. PetersburgDmitry A. Ovsyannikov Jr
St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design; Joint Stock Company “NIIEFA”
Author for correspondence.
Email: d-ovs@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4191-8494
SPIN-code: 5657-4707
MSc
Russian Federation, St. Petersburg; St. PetersburgIgor Yu. Rodin
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: rodin@sintez.niiefa.spb.su
SPIN-code: 4935-6473
PhD in Engineering
Russian Federation, St. PetersburgSergey E. Sytchevsky
St. Petersburg State University; Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: sytch-sie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1527-4015
SPIN-code: 3073-0334
DSc in Physics and Mathematics
Russian Federation, St. Petersburg; St. PetersburgAlexey A. Firsov
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: firsov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7846-8717
SPIN-code: 7943-4297
MSc
Russian Federation, St. PetersburgTatiana A. Firsova
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: firsova@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0002-9229-9622
SPIN-code: 2858-7562
Russian Federation, St. Petersburg
Nicolai A. Shatil
Joint Stock Company “NIIEFA”
Email: shatiln@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8529-130X
SPIN-code: 2818-0206
MSc, PhD in Engineering
Russian Federation, St. PetersburgReferences
- Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. – СПб: Политехника, 2003. – 206 с. [Zhuravljov JuN. Aktivnye magnitnye podshipniki. Teoriya, raschyot, primenenie. St. Petersburg: Politehnika, 2003. 206 р. (In Russ.)]. Ссылка активна на: 27.10.2021. Доступно по: https://www.studmed.ru/zhuravlev-yun-aktivnye-magnitnye-podshipniki-teoriya-raschet-primenenie-2003_ae0c7437419.html
- Акулицкий С.Г., Амосков В.М., Арсланова Д.Н. и др. Результаты стендовых испытаний прототипа полномасштабного гибридного электромагнита для систем маглев // Транспортные системы и технологии. – 2021. – Т. 7. – № 4. – С. 14–32. [Akulitzky SG, Amoskov VM, Arslanova DN, et al. Bench testing of hybrid EMS prototype. Modern Transportation Systems and Technologies. 2021;7(4):14-32]. doi: 10.17816/transsyst20217414-32
- Tzeng YK, Wang TC. Optimal design of the electromagnetic levitation with permanent and electro magnets. IEEE Transaction on Magnetics. 1994;30(6):4731-733. doi: 10.1109/20.334204
- Onuki T, Toda Y. Optimal Design of Hybrid Magnet in Maglev System with Both Permanent and Electro Magnets. IEEE Transaction on Magnetics. 1993;29(2):1783-1786. doi: 10.1109/20.250751
- Kim C-H, Cho H-W, Lee J-M, et al. Zero-power control of magnetic levitation vehicles with permanent magnets. ICCAS 2010: Proceedings of the International Conference on Control, Automation and Systems; 2010 Oct 27-30; Gyeonggi-do, Korea (South). 2010. p. 732-735. doi: 10.1109/ICCAS.2010.5670118
- Safaei F, Suratgar AA, Afshar A, et al. Characteristics Optimization of the Maglev Train Hybrid Suspension System Using Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2015;30(3):1163-1170. doi: 10.1109/tec.2014.2388155
- Erkan K, Okur B, Koseki T, et al. Experimental evaluation of zero-power levitation control by transfer function approach for a 4-pole hybrid electromagnet. In: Proceeding of the 2011 IEEE International Conference on Mechatronics; 2011 April 13-15; Istanbul, Turkey. 2011. p. 23-28, doi: 10.1109/ICMECH.2011.5971299
- Morishita M, Azukizawa T, Kanda S, et al. A new MAGLEV system for magnetically levitated carrier system. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 1989;38(4):230-236. doi: 10.1109/25.45486
- Wang TC, Tzeng YK. A new electromagnetic levitation system for rapid transit and high speed transportation. IEEE Transactions on Magnetics. 1994;30(6):4734-4736. doi: 10.1109/20.334205
- Патент РФ на изобретение № RU2739939/ 30.12.2020. Бюл. № 1. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.В., Васильев В.Н., Кухтин В.П., Капаркова М.В., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Неженцев А.Н., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. «Гибридный электромагнит для системы маглев». [Pat. RUS № RU2739939/ 30.12.2020. Byul. № 1. Amoskov V.M., Arslanova D.N., Belov A.V., et al. “Gibridnyj jelektromagnit dlya sistemy maglev”. (In Russ.)]. Ссылка активна на: 27.10.2021. Доступно по: https://patenton.ru/patent/RU2739939C1
- Патент РФ на изобретение № RU2743753/ 25.02.2021. Бюл. № 6. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.В., Васильев В.Н., Кухтин В.П., Капаркова М.В., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Неженцев А.Н., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. «Гибридный магнит без полей рассеяния для системы маглев». [Pat. RUS № RU2743753/25.02.2021. Byul. № 6. Amoskov V.M., Arslanova D.N., Belov A.V., et al. “Gibridnyj magnit bez poley rassejaniya dlya sistemy maglev”. (In Russ.)]. Ссылка активна на: 27.10.2021. Доступно по: https://patenton.ru/patent/RU2743753C1
- Amoskov VM, Belov AV, Belyakov VA, et al. Computation technology based on KOMPOT and KLONDIKE codes for magnetostatic simulations in tokamaks. Plasma Devices and Operations. 2008;16(2):89-103. doi: 10.1080/10519990802018023
- Amoskov VM, Arslanova DN, Bazarov AM, et al. Modeling EMS maglev systems to develop control algorithms. Cybernetics and physics. 2018;7(1):11-17. doi: 10.35470/2226-4116-2018-7-1-11-17
- Andreev EN, Arslanova DN, Akhmetzyanova EV, et al. Combined electromagnetic suspensions with reduced energy consumption for levitation vehicles. Technical Physics. 2019;64(7):1060-1065. doi: 10.1134/S1063784219070041
