Натурные испытания и верификация математической модели гибридного электромагнита подвеса для больших величин левитационных зазоров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель: Измерение подъемной силы ГЭМ левитационного подвеса и сопоставление с результатами вычислительного эксперимента.

Материалы и методы: Измерения проводились на испытательной установке АО ИНЦ «ТЭМП» при больших величинах левитационного зазора (13 мм, 17 мм).

Результаты: Результаты измерений и расчетов совпали с приемлемой точностью.

Заключение: В АО «НИИЭФА» изготовлен и испытан полномасштабный прототип гибридного электромагнита подвеса МЛТС. На основании выполненных работ будут подготовлены рекомендации по методике и программе измерений, организации процедуры выходного контроля серийных гибридных магнитов.

Полный текст

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:

  1. У них нет конфликта интересов;
  2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.
×

Об авторах

Виктор Михайлович Амосков

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: amoskov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9781-9116
SPIN-код: 2436-3828
Scopus Author ID: 6701846033

к.ф-м.н.

Россия, Санкт Петербург

Дарья Николаевна Арсланова

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: arslanova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3791-723X
SPIN-код: 3234-8141

магистр

Россия, Санкт Петербург

Андрей Александрович Белов

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: andrewthewhite@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7040-6741
SPIN-код: 6291-0480

магистр

Россия, Санкт Петербург

Вячеслав Николаевич Васильев

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: vvnm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1218-6274
SPIN-код: 5444-8639

MSc

Россия, Санкт Петербург

Валерий Викторович Деомидов

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: deomidov@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-2795-8342
SPIN-код: 5931-9704

магистр

Россия, Санкт Петербург

Анатолий Александрович Зайцев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: nocpp@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0002-1342-8036
SPIN-код: 9477-4316

д.э.н.

Россия, Санкт Петербург

Марина Викторовна Капаркова

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: kaparkova-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3489-5581
SPIN-код: 6881-2266

MSc

Россия, Санкт Петербург

Владимир Петрович Кухтин

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: kukhtin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6925-6141
SPIN-код: 1628-3135

к.ф-м.н.

Россия, Санкт Петербург

Алексей Николаевич Лабусов

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: labusov@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0003-2264-677X
SPIN-код: 4734-7358

к.ф-м.н.

Россия, Санкт Петербург

Евгений Анатольевич Ламзин

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: lamzin-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6072-5711
SPIN-код: 8287-7879

д.ф-м.н.

Россия, Санкт Петербург

Михаил Сергеевич Ларионов

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: larionov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8570-7210
SPIN-код: 1631-3598

MSc

Россия, Санкт Петербург

Андрей Николаевич Неженцев

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: nezhentzev-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8724-7211
SPIN-код: 7319-8924

MSc

Россия, Санкт Петербург

Дмитрий Александрович Овсянников

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: d.a.ovsyannikov@spbu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0829-2023
SPIN-код: 7762-9740

д.ф-м.н., профессор

Россия, Санкт Петербург

Дмитрий Александрович Овсянников Мл.

Санкт-Петербургский Государственный Университет промышленных технологий и дизайна; АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Автор, ответственный за переписку.
Email: d-ovs@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4191-8494
SPIN-код: 5657-4707

магистр

Россия, Санкт Петербург; Санкт Петербург

Игорь Юрьевич Родин

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: rodin@sintez.niiefa.spb.su
SPIN-код: 4935-6473

к.т.н.

Россия, Санкт Петербург

Сергей Евгеньевич Сычевский

Санкт-Петербургский государственный университет; АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: sytch-sie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1527-4015
SPIN-код: 3073-0334

д.ф-м.н.

Россия, Санкт Петербург; Санкт Петербург

Алексей Анатольевич Фирсов

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: firsov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7846-8717
SPIN-код: 7943-4297

MSc

Россия, Санкт Петербург

Татьяна Александровна Фирсова

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: firsova@sintez.niiefa.spb.su
ORCID iD: 0000-0002-9229-9622
SPIN-код: 2858-7562
Россия, Санкт Петербург

Николай Александрович Шатиль

АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Email: shatiln@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8529-130X
SPIN-код: 2818-0206

к.т.н.

Россия, Санкт Петербург

Список литературы

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Вариант российской МЛТС с ЭМП [2]

Скачать (75KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Гибридный электромагнит на испытательной установке АО ИНЦ «ТЭМП»

Скачать (76KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты сравнения расчетных данных с обработанными результатами измерений

Скачать (39KB)
Метаданные

© Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.А., Васильев В.Н., Деомидов В.В., Зайцев А.А., Капаркова М.В., Кухтин В.П., Лабусов А.Н., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Неженцев А.Н., Овсянников Д.А., Овсянников (Мл.) Д.А., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Фирсова Т.А., Шатиль Н.А., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Ссылка на архив предыдущего журнала