Analysis of lateral magnetic attractive forces in switch reluctance traction motor

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Тяговые электродвигатели (ТЭД) электровозов относятся к наиболее ответственному оборудованию, принимающему на себя действие больших нагрузок.

В настоящее время в системе тяги электроподвижного состава (ЭПС) применяют асинхронные электрические машины. Однако, асинхронные тяговые электродвигатели (АТЭД) подвержены отказам. Наиболее частыми причинами таких отказов служат эксплуатационные перегрузки, составляющие около 50% случаев. Также, выход из строя АТЭД связан с технологическими причинами, на которые приходятся около 35% случаев.

Ограниченные размеры АТЭД электровоза приводят к максимальному использованию пространства внутри электрической машины и росту ее рабочей температуры. При нарушении эксплуатации, либо по причине выхода из строя систем охлаждения, возникает перегрев в электрической машине. Статистика данных АТЭД локомотивов в эксплуатации показывает, что причины отказов в основном связаны с расплавлением роторных стержней, пробоем изоляции статорной обмотки, неисправностями подшипникового узла [1-3].

Анализ данных распределения отказов электрооборудования за два года эксплуатации по ЭПС относительно новых серий, получивших широкое внедрение на железнодорожном транспорте, показал следующие результаты. Так, отказы, связанные с асинхронными тяговыми и вспомогательными электрическими машинами, суммарно составили для:

• пассажирских электровозов ЭП20 – 14–15%;
• грузовых электровозов 2ЭС10 – 8–16% [4].

Согласно анализу Парето, представленному в [4], тяговый привод электровозов 2ЭС10 попадает в разряд лимитирующих узлов.

Перспективными для транспортного применения, в том числе в качестве ТЭД электровозов, являются вентильно-индукторные электрические машины (ВИМ). Двигатели вентильно-индукторного (ВИД) типа в сравнении с АТЭД имеют более простую конструкцию магнитной системы.

Отсутствие обмоток на роторе позволяет снизить расход материалов при производстве. Исключение роторной обмотки повышает надежность машины, так как автоматически отпадают проблемы, связанные с ее наличием:

• разрушение изоляции под действием центробежных сил;
• перегрев ротора.

Обмотки статора ВИМ просты по конструкции, обладают высокой прочностью и надежностью. Фазные катушки, имея сравнительно малую длину лобовых частей и высокую жесткость, не нуждаются в дополнительной фиксации. Такая особенность магнитной системы ВИМ важна для ТЭД, в связи с наличием габаритных ограничений и высоких вибрационных воздействий.

Энергоэффективность машин вентильно-индукторного типа превышает энергоэффективность асинхронных машин. Например, КПД ВИМ по сравнению с КПД асинхронных машин для:

• номинального режима выше на 4%;
• для зоны частичной нагрузки – на 25%.

Следующей особенностью ВИМ является пологий вид ее характеристики КПД в широком диапазоне изменения мощности. При этом сам КПД изменяется незначительно, придерживаясь высоких значений в интервале от пусковых режимов до скоростей, выше номинальных. Такая особенность важна для ЭПС с частыми пусками.

ВИМ обладает высокой перегрузочной способностью, а также энергонезависимостью фаз. Независимость фазных обмоток позволяет ВИМ в случае аварийного режима при обрыве одной из фаз сохранять свое работоспособное состояние и продолжать эксплуатацию на исправных фазах [5–8].

Однако для ВИМ характерны и слабые стороны. К ним относят высокие пульсации электромагнитного момента и наличие сил одностороннего магнитного притяжения (ОМП) в воздушном промежутке электрической машины. Пульсации момента, приводящие к шуму и вибрации, возможно снизить рядом различных достаточно эффективных способов [9–13].

Наличие в машине сил ОМП, возникающих при асимметрии магнитной системы, может носить скрытый характер. Силы служат причиной ухудшения виброакустических показателей, а также, оказывая большое влияние на подшипники, приводят к преждевременному износу подшипникового узла и выходу из стоя электрической машины [13, 14].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Целью научной работы служит изучение и анализ характера сил ОМП при наличии различных вариантов асимметрии магнитной системы тягового ВИД, и последующая выработка рекомендаций по устранению, либо минимизации их влияния на подшипники.

Объектом исследования является перспективный ТЭД вентильно-индукторного типа для электровоза, прототипом которого является ЭП20 «Олимп».

При расчете магнитной системы тягового ВИД в качестве исходных данных были взяты во внимание дополнительные заранее известные габаритные размеры двигателя, т.к. его магнитная система проектируется в корпусе установленного на электровозе «Олимп» АТЭД типа ДТА-1200А [15, 16] (Рис. 1).

Рис. 1. Магнитная система 12/8 тягового ВИД электровоза «Олимп»

Fig. 1. Magnetic system 12/8 traction SRM of electric locomotive “Olympus”

Наиболее значимой причиной наличия сил ОМП является неравномерность воздушного зазора в электродвигателе, которая может иметь технологический и эксплуатационный характер возникновения (Рис. 2).

Рис. 2. Причины технологической и эксплуатационной неравномерности зазора ВИД

Fig. 2. Causes of technological and operational unevenness of the gap SRM

На предварительном этапе исследовательской работы принят ряд начальных условий. Рассматривается плоскопараллельное электромагнитное поле в поперечном сечении электрической машины, которое не имеет возможности выхода за внешний контур поверхности магнитопровода статора. Работа ВИД осуществлялась в номинальном режиме, питание – одноимпульсное. Исключено взаимное влияние фаз, а также зависимость магнитной индукции в ВИД от гистерезисных явлений и вихревых токов. Неизменными с течением времени являются асимметрия магнитной системы, а также температура воздушного промежутка двигателя.

Тяговый ВИД для электровоза «Олимп» обладает: мощностью на валу Р = 1300 кВт; напряжением U_d = 2200 В; частотой вращения n =1766 об/мин [16].

Исследованы силы ОМП в тяговом ВИД для случаев неравномерности воздушного зазора при динамическом и статическом смещениях [16].

Расчеты выполнялись посредством математических моделей программы MATLAB (SIMULINK), а также конечно-элементного метода пакета программы FEMM. Подробный поэтапный алгоритм расчета сил ОМП приведен в [16].

Рассмотрены варианты динамического смещения ротора тягового ВИД в направлении действия силы тяжести, при этом шаг составляет 0,4 мм. Результаты расчетов, приведенные на Рис. 3, показывают, что особого внимания требует участок спадающего фазного тока. Видно, что на данном участке кривая силы ОМП при динамическом смещении резко возрастает и, достигнув своей максимальной точки, также резко спадает до первоначальных значений.

Рис. 3. Параметры ВИД для вариантов динамического смещении: 1 – ток; 2 – момент (смещение 0,4 мм); 3–5 – силы ОМП (шаг смещения 0,4 мм)

Fig. 3. SRM parameters for dynamic displacement options: 1 – current; 2 – moment (displacement 0,4 mm); 3–5 – OMA forces (displacement pitch 0,4 mm)

В случае статического смещения (Рис. 4) характер изменения сил ОМП аналогичен рассмотренному случаю динамического смещения, однако величина сил выше примерно на 15–18%. Поэтому, статическое смещение является наиболее неблагоприятным по сравнению с динамическим, возникая в процессе эксплуатации электрической машины при радиальной выработке подшипников.

Рис. 4. Параметры ВИД для вариантов статического смещении: 1 – ток; 2 – момент (смещение 0,4 мм); 3–5 – силы ОМП (шаг смещения 0,4 мм)

Fig. 4. SRM parameters for static displacement options: 1 – current; 2 – moment (displacement 0,4 mm); 3–5 – OMA forces (displacement pitch 0,4 mm)

Рис. 5 отражает результаты расчета сил ОМП в зависимости от тока, полученные при динамическом смещении с шагом 0,2 мм и расположении полюсов ротора напротив полюсов статора электрической машины. Произведем анализ графика зависимостей силы ОМП от фазного тока (Рис. 5). Для всех вариантов смещения имеются участки с резким возрастанием силы и таким же резким спадом, а затем плавным ее снижением.

Рис. 5. Кривые сил ОМП при соосном расположении полюсов электрической машины для вариантов динамического смещения с шагом 0,2 мм

Fig. 5. Power curves of the OMA for coaxial arrangement of the machine poles for dynamic displacement options with a step of 0,2 mm

Участок резкого возрастания силы приходится на токовый интервал, соответствующий прямолинейной части кривой намагничивания Ψ (i, θ), в конце которого сила достигает максимального значения (Рис. 6).

Рис. 6. Семейство кривых Ψ (i, θ) тягового ВИД

Fig. 6. Family of curves Ψ (i, θ) of traction SRM

Последующий резкий спад характерен для участка перегиба кривой намагничивания. Далее происходит плавный спад силы ОМП, соответствующий токовому участку, когда магнитная система электрической машины выходит в насыщение. Пояснить характер изменения сил с точки зрения различной степени насыщения магнитной системы позволят Рис. 7 и Рис. 8.

Рис. 7. Картина прохождения силовых линий в поперечном сечении электрической машины для случая динамического смещения ∆ = 0,2 мм: a) система не насыщена; b) система вышла в насыщение

Fig. 7. Picture of the passage of lines of force in the cross section of an electric machine for the case of dynamic displacement ∆ = 0,2 mm: a) the system is not saturated; b) the system has reached saturation

Рис. 8. Картина прохождения силовых линий в поперечном сечении электрической машины для случая динамического смещения ∆ = 0,8 мм: a) система не насыщена; b) система вышла в насыщение

Fig. 8. Picture of the passage of lines of force in the cross section of an electric machine for the case of dynamic displacement ∆ = 0.8 mm: a) the system is not saturated; b) the system has reached saturation

Случаи ненасыщенной магнитной системы (Рис. 7а и Рис. 8а), соответствуют участку резкого возрастания силы ОМП. Если смещение ротора осуществляется вертикально вниз, в нижней части магнитопровода электрической машины с меньшим воздушным зазором силовые линий магнитного поля более плотно располагаются друг относительно друга, поэтому влияние электромагнитной силы здесь велико.

Спад величины силы ОМП приходится на интервал, когда магнитная система ВИД выходит в насыщение (Рис. 7b и Рис. 8b). В таком случае, силовые линии в диаметрально расположенных полюсах распределены равномерно друг относительно друга, причем положение минимального воздушного зазора здесь не играет никакой роли. Тогда, рост электромагнитной силы сопровождается уменьшением силы ОМП.

В настоящей работе проведены исследования сил ОМП при расположении полюсов ротора и статора, когда электромагнитный момент достигает максимальных величин Mmax (Рис. 9). Характер изменения кривых сил схож со случаем соосного расположения полюсов, однако максимум силы при возрастании величины динамического смещения не выражен в явном виде.

Рис. 9. Параметры тягового ВИД для случая Mmax и динамического смещения с шагом 0,2 мм: F (∆) – силы ОМП при соответствующем смещении; M (∆) – электромагнитный момент при смещении

Fig. 9. Parameters of the traction SRM for the case of Mmax and dynamic displacement with a step of 0.2 mm: F (∆) – forces of the OMP with the corresponding displacement; M (∆) – electromagnetic moment during displacement

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в работе, показали, что силы ОМП могут достигать высоких значений при асимметрии магнитной системы, которая возникает в связи с технологическими и эксплуатационными причинами. Под влиянием этих сил ухудшаются виброакустические характеристики электрической машины, что в основном связано с воздействием сил ОМП на подшипниковые узлы. Такое воздействие приводит к снижению ресурса их работы и зачастую полному выходу из строя ВИД. Поэтому возникает необходимость в снижении воздействия сил ОМП на подшипники путем ограничения их величины до допустимых значений. С этой целью требуется внесение ряда предложений на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации электрической машины.

На начальном этапе при проектировании ВИД необходимо назначать текущие значения допусков и предельно-допустимые на конструктивные элементы машины и ее магнитную систему. Затем следует произвести суммирование допусков, что позволит определить максимально возможное смещение при сборке.

Именно при сборке на этапе изготовления электрической машины следует четко контролировать размеры элементов магнитной системы и сортировать детали, в которых присутствуют отклонения от требуемых значений. Процесс сборки ВИД следует проводить на одной установке, при этом особое значение имеет процесс учета отклонений в самих деталях.

При эксплуатации электрической машины в перспективе воздействие сил ОМП возможно снизить, либо устранить средствами управления.

Снизить величину сил ОМП примерно в 2-3 раза позволит выбор схемы соединения полюсных обмоток ВИД в пользу независимого соединения диаметрально расположенных катушек одной фазы.

Возможность практически полного устранения влияния сил ОМП в ВИД даст реализация активного магнитного подвеса ротора. С этой целью следует использовать двухканальную систему управления. По первому каналу регулированием амплитудного значения тока создается вращающий момент. Второй канал служит для создания самого магнитного подвеса путем подачи токов различной величины в диаметрально расположенные фазные катушки.

Благодаря тому, что современный ЭПС оборудован микропроцессорными системами управления и диагностики, возможно, используя датчики радиального перемещения ротора, получать сведения о состоянии воздушного зазора тягового ВИД. Полученный материал позволит прогнозировать отказы или предотказное состояние подшипников. Далее, путем накопления базы данных о статистике отказов и предотказных состояний подшипников при планово-предупредительном обслуживании и ремонте, возможно сформировать более точный алгоритм диагностики, позволяющий определять их остаточный ресурс.

Автор заявляет, что настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The author declares that this article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Ekaterina E. Miroshnichenko

Author for correspondence.
Email: ekaterinailjasova@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-8883-8021
SPIN-code: 1498-5371

Cand. Sci. (Engineering), Associate professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Magnetic system 12/8 traction SRM of electric locomotive “Olympus”

Download (210KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Causes of technological and operational unevenness of the gap SRM

Download (140KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. SRM parameters for dynamic displacement options: 1 – current; 2 – moment (displacement 0,4 mm); 3–5 – OMA forces (displacement pitch 0,4 mm)

Download (219KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. SRM parameters for static displacement options: 1 – current; 2 – moment (displacement 0,4 mm); 3–5 – OMA forces (displacement pitch 0,4 mm)

Download (156KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Power curves of the OMA for coaxial arrangement of the machine poles for dynamic displacement options with a step of 0,2 mm

Download (447KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Family of curves Ψ (i, θ) of traction SRM

Download (316KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Picture of the passage of lines of force in the cross section of an electric machine for the case of dynamic displacement ∆ = 0,2 mm: a) the system is not saturated; b) the system has reached saturation

Download (715KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Picture of the passage of lines of force in the cross section of an electric machine for the case of dynamic displacement ∆ = 0.8 mm: a) the system is not saturated; b) the system has reached saturation

Download (738KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9. Parameters of the traction SRM for the case of Mmax and dynamic displacement with a step of 0.2 mm: F (∆) – forces of the OMP with the corresponding displacement; M (∆) – electromagnetic moment during displacement

Download (305KB)

Indexing metadata