Verification of numerical model of hybrid EMS using test bench measurements at large air gap

Victor M. Amoskov; Амосков Виктор  Михайлович; Darya N. Arslanova; Арсланова Дарья Николаевна; Andrei A. Belov; Белов Андрей Александрович; Vyacheslav N. Vasiliev; Васильев Вячеслав Николаевич; Valery V. Deomidov; Деомидов Валерий Викторович; Anatoly A. Zaytzev; Зайцев Анатолий Александрович; Marina V. Kaparkova; Капаркова Марина Викторовна; Vladimir P. Kukhtin; Кухтин Владимир Петрович; Alexey N. Labusov; Лабусов Алексей Николаевич; Evgeny A. Lamzin; Ламзин Евгений Анатольевич; Mikhail S. Larionov; Ларионов Михаил Сергеевич; Andrey N. Nezhentzev; Неженцев Андрей Николаевич; Dmitry A. Ovsyannikov; Овсянников Дмитрий Александрович; Dmitry A. Ovsyannikov Jr; Овсянников Мл. Дмитрий Александрович; Igor Yu. Rodin; Родин Игорь Юрьевич; Sergey E. Sytchevsky; Сычевский Сергей Евгеньевич; Alexey A. Firsov; Фирсов Алексей Анатольевич; Tatiana A. Firsova; Фирсова Татьяна Александровна; Nicolai A. Shatil; Шатиль Николай Александрович

doi:10.17816/transsyst20228128-37

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:
1. Joint Stock Company “NIIEFA”
2. Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
3. St. Petersburg State University
4. 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
ID: 105518

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

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.

Keywords

maglev, permanent magnet, hybrid EMS, levitation force measurement, numerical simulation, test bench, prototype

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.

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

Alexey 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. Petersburg

Tatiana 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. Petersburg

References

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