Гибридный и традиционный электромагниты для целей магнитного подвешивания: сопоставительный анализ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель: сравнение гибридных электромагнитов (ГЭМ) и традиционных электромагнитов (ЭМ) левитационного подвеса.

Методы: Сопоставление проводится на базе вычислительного эксперимента для варианта ГЭМ, достоверность численной модели которого подтверждается верификацией с использованием адекватной натурной (физической) модели.

Результаты: Конструкция гибридных электромагнитов (ГЭМ) совмещает в качестве источников поля в единой магнитной цепи токовые катушки и постоянные магниты. Сравнение продемонстрировало семикратное снижение энергопотребление для ГЭМ по сравнению с ЭМ, причём вес гибридного магнита в два раза меньше.

Заключение: Подтверждена правильность выбранной концепции построения магнитной системы предложенного варианта магнитолевитационного подвеса.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Анализ систем электромагнитных подвесов (ЭМП) [1] указывает на ряд преимуществ применения в них так называемых «гибридных электромагнитов» (ГЭМ) [2–10] по сравнению с электромагнитами «традиционного» исполнения (ЭМ). В АО «НИИЭФА» испытан прототип гибридного магнита [11, 12] из разработанной линейки ГЭМ, отличающихся грузоподъемностью и, соответственно, размерами.

Адаптированная для численного моделирования таких систем вычислительная технология [13, 2] позволяет конструировать и создавать подвесы любой требуемой на практике грузоподъемности.

Для изготовленного прототипа варианта серийного ГЭМ (детальнее см. параметры в [14] и в Табл. 1, заимствованной из [14]) был выполнен комплекс работ на сертифицированном стенде АО «НИИЭФА» [14] и любезно предоставленной АО ИНЦ «ТЕМП» испытательной установке [15].

 

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

 

Измерения проводились с целью:

  • определения зависимости подъемной силы магнита от величины тока в катушке при различных величинах задаваемого левитационного зазора (воздушного промежутка между установленной на путевой структуре ферромагнитной направляющей и поверхностью полюсов ГЭМ);
  • сопоставления измеренной зависимости подъемно силы с данными вычислительного эксперимента, полученными на разработанной детальной трехмерной (3D) математической модели магнита подвеса.

Сравнение данных продемонстрировало приемлемую для практических целей точность как числовой, так физической моделей. А дополнительные перекрестные проверки прототипа на двух измерительных установках подтверждают достоверность реализованной методики измерения. Таким образом выполнена верификация вычислительной технологии для анализа магнитов, специфичных для целей магнитолевитационных подвесов.

СРАВНЕНИЕ ГЭМ И ЭМ ЛЕВИТАЦИОННОГО ПОДВЕСА

Следует подчеркнуть, что методически величина подъемной силы моделируется путем интегрирования плотности пондеромоторных сил по объему исследуемой системы. Распределение сил получается в результате использования тензора натяжений Максвелла, компоненты которого, в свою очередь, вычисляются на основе расчета компонент векторов магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Таким образом, анализ результатов расчетов и измерения сил позволяет сделать заключение о достоверности моделирования как полей, так и сил в системах магнитолевитационных подвесов. Этот вывод, впрочем, соответствует аналогичным выводам, сделанным при анализе моделей электрофизических установок других типов (ускорители заряженных частиц и системы их транспортировки, термоядерные ректоры с магнитным удержанием плазмы, синхронные электродвигатели и т.п.).

На Рис. 1 приведено характерное распределение магнитного поля в поперечном сечении магнита вблизи центральной части.

 

Рис. 1. Характерное распределение магнитного поля в поперечном сечении вблизи центральной части ГЭМ АО «НИИЭФА»

 

С целью сравнительной оценки силовых и энергетических характеристик электромагнита ГЭМ АО «НИИЭФА» была также разработана вычислительная модель электромагнита традиционного исполнения, показанная на Рис. 2. Этот магнит представляет собой U-образный магнит с параметрами близкими к оптимальным. Магниты такого типа успешно применялись в магнитолевитационных транспортных системах (например, в Германии, Китае, Южной Корее). Сила притяжения традиционного магнита к ферромагнитной направляющей определяется величиной тока в катушке. Поэтому для увеличения несущей способности как систем разгрузки осей, так и магнитолевитационных систем (на первый взгляд) необходимо стремиться к повышению величины тока. Известно, что работоспособность таких систем ограничивается допустимым нагревом (температурой), вызванным тепловыделением тока в катушке.

 

Рис. 2. Характерное распределение магнитного поля в модели электромагнита традиционного исполнения с параметрами, близкими к оптимальным

 

В анализируемом случае оба магнита сравниваются по энергопотреблению и рабочей температуре при условии генерации одинаковой силы. При этом сама максимально возможная величина силы определялась предельно допустимой температурой катушки магнита.

На Рис. 3 приведено распределение температуры в поперечном сечении традиционного ЭМ при джоулевых тепловыделениях, составляющих P = 576 Вт (полный ток в катушке 9600 А). При температуре окружающей среды 300 К и величине коэффициента конвективной теплоотдачи (ККТ), равном 10 Вт/м2: максимальная температура в катушке составляет Тмакс = 416 К и минимальная ‑Тмин = 402 К.

 

Рис. 3. Распределение температуры в электромагните традиционного исполнения. ККТ равен 10 Вт/м2К.

 

В результате проведенных численных расчетов были определены следующие характеристики модели U – образного магнита. При генерации силы величиной 4700 Н и зазоре 10 мм он потребляет более 600 Вт (при генерации силы в 3000 Н магнит потребляет 380 Вт энергии). При величине коэффициента конвективной теплоотдачи равном 20 Вт/м2К (интенсивный обдув) и коэффициенте черноты поверхности 0,5 перегрев проводника обмотки магнита относительно окружающей среды составляет ~760К (при ККТ равном 10 Вт/м2К перегрев проводника составит ~1160К). Вес магнита равен ~90 кг.

На Рис. 4 приведено распределение температуры в поперечном сечении ГЭМ АО «НИИЭФА». При генерации силы величиной 4700 Н и зазоре 10 мм джоулевы тепловыделения составляют P = 76 Вт (ток в проводнике 7 А). При температуре окружающей среды 300 К и ККТ равном 10 Вт/м2: Тмакс = 324 К и Тмин = 322 К. Магнит при этом потребляет около 80 Вт электроэнергии. При генерации силы в 3000 Н магнит энергии практически не потребляет. При коэффициенте теплоотдачи 20 Вт/м2К перегрев проводника обмотки магнита относительно окружающей среды составит ~120К (при 10 Вт/м2К перегрев проводника составит ~240К). Вес магнита равен ~50 кг.

 

Рис. 4. Распределение температуры в ГЭМ АО «НИИЭФА». ККТ равен 10 Вт/м2К.

 

ВЫВОДЫ

В АО «НИИЭФА» разработан и изготовлен полномасштабный прототип серийного образца гибридного электромагнита подвеса магнитолевитационных транспортных систем. С целью сопоставительного анализа разработана математическая модель адекватного гибридному магниту электромагнита «традиционного» исполнения в виде U-образного магнита. Параметры этого ЭМ были выбраны близкими к оптимальным для целей обеспечения разгрузки осей транспортных систем или магнитолевитационных подвесов.

Вычислительный эксперимент показал, что стационарно генерируемая традиционным магнитом пондеромоторная сила 4,7 кН при зазоре 10 мм достигается при сильном разогреве проводника обмотки (~450 К), Та же сила может быть создана гибридным магнитом разработки АО «НИИЭФА» при потреблении им в 7,5 раза меньшего количества энергии.

Гибридный магнит почти в два раза легче.

При генерации силы в 3 кН (режим работы обеспечивается только постоянными магнитами) ГЭМ практически не потребляет энергии в то время, как эквивалентный магнит традиционного исполнения потребляет 380 Вт.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена при частичной поддержке Фонда Академика Василия Андреевича Глухих.

Авторы признательны В.П. Занину, А.А. Галенко, А.Т. Горелову за плодотворные дискуссии.

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
Scopus Author ID: 55314279800

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

Александр Вячеславович Белов

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

Email: belov-sci@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9486-3437
SPIN-код: 3748-2363
Scopus Author ID: 7202831959

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
Scopus Author ID: 7005989574

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

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
Scopus Author ID: 12445243900

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
Scopus Author ID: 35353250700

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
Scopus Author ID: 12756829300

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
Scopus Author ID: 36443801800

MSc

Россия, Санкт-Петербург

Игорь Александрович Морозов

НАО НПЦ «ТИТ»

Email: morozov083@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7451-730X
SPIN-код: 4815-5843

магистр

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
Scopus Author ID: 57201374326

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
Scopus Author ID: 7005063976

к.т.н.

Россия, Санкт-Петербург

Сергей Александрович Смирнов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: noc-pgups@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2096-6967
SPIN-код: 3042-2910

в.н.с.

Россия, Санкт-Петербург

Ольга Юрьевна Смирнова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: noc-pgups@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2239-4384
SPIN-код: 9083-2984

с.н.с.

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
Scopus Author ID: 6602159085

д.ф-м.н.

Россия, Санкт-Петербург; 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
Scopus Author ID: 6507475131

к.т.н.

Россия, 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
Scopus Author ID: 56069602000

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

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. SPb: Politehnika, 2003. 206 s. (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. 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
  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 K, Han H, Kim C, Yang S. Dynamic Analysis of a Maglev Conveyor Using an EM-PM Hybrid Magnet. Journal of Electrical Engineering and Technology. 2013;8(6):1571-1578. doi: 10.5370/JEET.2013.8.6.1571
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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.)]. Доступно по: https://patenton.ru/patent/RU2739939C1 Ссылка активна на: 27.10.2021.
  12. 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
  13. 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
  14. Акулицкий С.Г., Амосков В.М., Арсланова Д.Н. и др. Результаты стендовых испытаний прототипа полномасштабного гибридного электромагнита для систем маглев // Инновационные 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. (In Russ.)]. doi: 10.17816/transsyst20217400-00
  15. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Белов А.В. и др. Натурные испытания и верификация математической модели гибридного электромагнита подвеса для больших величин левитационных зазоров // Инновационные транспортные системы и технологии. – 2022. – Т. 8. – № 1. – С. 28–37. [Amoskov VM, Arslanova DN, Belov AV, et al. Verification of numerical model of hybrid ems using test bench measurements at large air gap. Modern Transportation Systems and Technologies. 2022;8(1):28-37. (In Russ.)]. doi: 10.17816/transsyst20228128-37

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Характерное распределение магнитного поля в поперечном сечении вблизи центральной части ГЭМ АО «НИИЭФА»

Скачать (322KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Характерное распределение магнитного поля в модели электромагнита традиционного исполнения с параметрами, близкими к оптимальным

Скачать (289KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение температуры в электромагните традиционного исполнения. ККТ равен 10 Вт/м2К.

Скачать (46KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение температуры в ГЭМ АО «НИИЭФА». ККТ равен 10 Вт/м2К.

Скачать (76KB)
Метаданные

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

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

Ссылка на архив предыдущего журнала