Энергоэффективный тяговый электропривод переменного тока и исследование его модификации

достижение новых целей и преодоление современных вызовов горной отрасли диктуют новые требования надежности и сервиса технологического оборудования. Большое количество коллекторных электрических машин постоянного тока в электроприводах горного электрооборудования и техники не только требует квалифицированного периодического обслуживания, но также не соответствует современным требованиям энергоэффективности. Таким образом, образовалась тенденция перехода на электроприводы переменного тока. В настоящей работе представлен уникальный в своем роде синхронный электродвигатель для шахтного электровоза, выполненный на базе дробной зубцовой обмотки, с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов. Такие электродвигатели по массогабаритным показателям и уровню эффективности превосходят асинхронные двигатели и классические синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением. Показано преимущество разработанного электродвигателя в сравнении с аналогом. Однако недостатком дробных зубцовых обмоток можно назвать комплексный гармонический состав создаваемого магнитного поля. С целью уменьшения данного недостатка проведено исследование по модификации разработанного электродвигателя. В качестве модификации выбран способ сдвига части обмотки статора. Представлены методики расчета определяющих критериев с применением метода конечно-элементного анализа. Показано возможное улучшение характеристик электродвигателя при использовании рассмотренной модификации для различных углов сдвига. Выбрана величина сдвига, обеспечивающая наибольшее улучшение характеристик.

Бабицкий Д. Ю., Никулин Р. О. Энергоэффективный тяговый электропривод переменного тока и исследование его модификации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12-2. — С. 34—46. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_34.

исследование выполнено при финансовой поддержке в рамках реализации программы развития НГТУ, научный проект №С21−25 «Анализ современных методов улучшения гармонического состава магнитного поля в электрических машинных с дробными зубцовыми обмотками».

Бабицкий Денис Юрьевич — ассистент кафедры Электромеханики, https://orcid. org/0000-0002-2044-4675, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20, Россия, e-mail: denibaks@gmail.com;
Никулин Роман Олегович — младший научный сотрудник, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20, Россия, e-mail: roma99352@gmail.com.

Бабицкий Д. Ю., e-mail: denibaks@gmail.com.

1. Степаненко В. П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 128–137.

2. Кубрин С. С., Решетняк С. Н., Бондаренко А. М. Анализ влияния технологических факторов на удельные нормы электропотребления оборудования выемочных участков угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 2. — С. 161–170. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0−161−170.

3. Бабокин Г. И., Шпрехер Д. М. Повышение энергоэффективности механизированного очистного забоя угольной шахты // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 122–134. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_122.

4. Малафеев С. И., Малафеев С. С. К анализу энергетических процессов в питающей сети при работе карьерного экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3. — С. 126–137. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-0−126−137.

5. Степаненко В. П., Сорин Л. Н. Энергоэффективность подземной локомотивной откатки с гибридными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 6. — С. 135–140. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0−161−170.

6. Хошмухамедов И. М., Косарева-Володько О. В. Надежность электродвигателей карьерных экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научнотехнический журнал). — 2018. — №. 12. — С. 151–156. DOI: 10.25018/0236-14932018-12−0-151−156.

7. Колесник И. К., Черняк Ю. В., Горобченко А. Н. Анализ неисправностей электровоза ДЕ1 // Сборник научных трудов ДонИЖТ. — 2005. — № 1. — С 38–46.

8. Юрченко О. Н., Синчук И. О., Гузов Э. С., Шокарев Д. А., Скапа Е. И. Аспекты разработки асинхронного электротехнического комплекса шахтных контактно-аккумуляторных электровозов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2015. — Т. 1. — № 8. — С. 21–26.

9. Абрамов Б. И., Иванов А. Г., Шиленков В. А., Кузьмин И. К., Шевырев Ю. В. Электропривод современных шахтных подъемных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5−2. — С. 145–162. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2022_52_0_145.

10. Шевченко А. Ф., Приступ А. Г., Новокрещенов О. И., Топорков Д. М., Корнеев В. В. Особенности конструкции и проектирования энергоэффективных магнитоэлектрических электродвигателей общепромышленного назначения // Электротехника. — 2014. — № 12. — С. 41–44.

11. Шевченко А. Ф., Честюнина Т. В. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических машин // Электротехника. — 2009. — № 12. — С. 3–7.

12. Приступ А. Г., Корнеев В. В. Потери на вихревые токи в магнитах ротора генератора аварийного динамического торможения // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. — 2016. — № 3. — С. 21–25.

13. Пахомин С. А., Пахомин Л. С. Магнитные потери в статоре вентильного двигателя с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2017. — Т. 60. — № 5. — С. 18–24. DOI 10.17213/0136-3360-2017-5-18−24.

14. Chen Y. S., Zhu Z. Q., Howe D. Vibration of PM brushless machines having a fractional number of slots per pole // IEEE Transactions on Magnetics. 2006, vol. 42, no. 10, pp. 3395–3397. DOI: 10.1109/TMAG.2006.879072.

15. Zhu S., Ji J., Zhao W., Zheng J., Mao Y. Liu G. Unequal teeth design to reduce electromagnetic vibration in fractional-slot concentrated-windings permanent-magnet machine // Journal of Magnetics. 2019, vol. 24, no. 4, pp. 657–667. DOI 10.4283/JMAG.2019.24.4.657.

16. Dajaku G., Xie W., Gerling D. Reduction of low space harmonics for the fractional slot concentrated windings using a novel stator design // IEEE Transactions on Magnetics. 2013, vol. 50, no. 5, pp. 1–12. DOI: 10.1109/TMAG.2013.2294754.

17. Liu G., Zhai F., Chen Q., Xu G. Torque pulsation reduction in fractional-slot concentrated-windings IPM motors by lowering sub-harmonics // IEEE Transactions on Energy Conversion. — 2019. — Т. 34. — №. 4. — С. 2084−2095. DOI: 10.1109/TEC.2019.2935016.

18. Li F., Wang K., Li J., Zhang H. J. Suppression of even-order harmonics and torque ripple in outer rotor consequent-pole PM machine by multilayer winding //IEEE Transactions on Magnetics. 2018, vol. 54, no. 11, pp. 1–5. DOI: 10.1109/TMAG.2018.2839740.

19. Liu D., Song X., Dong J. Performance of multi-layer and stator-shifting fractional-slot concentrated windings for superconducting wind turbine generators under normal and shortcircuit operation conditions. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2020, vol. 30, no. 4, pp. 1–5. DOI: 10.1109/TASC.2020.2971436.

20. Barcaro M., Bianchi N., Magnussen F. Analysis and tests of a dual three-phase 12-slot 10-pole permanent-magnet motor // IEEE Transactions on Industry Applications. 2010, vol. 46, no. 6, pp. 2355–2362. DOI: 10.1109/TIA.2010.2070784.

21. Abdel-Khalik A. S., Gadoue S., Ahmed S. A nine-phase six-terminal fractional-slotwinding for interior permanent-magnet machines with low space harmonics // 2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM). IEEE,2018, pp. 499–505. DOI: 10.1109/ICELMACH.2018.8506749.

22. Reddy P. B., Huh K. K., El-Refaie A. M. Generalized approach of stator shifting in interior permanent-magnet machines equipped with fractional-slot concentrated windings // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, vol. 61, no. 9, pp. 5035–5046. DOI: 10.1109/TIE.2013.2297515.

23. Zhu S., Cox T., Xu Z., Gerada C. Novel 24-slots14-poles fractional slot concentrated winding topology with low-space harmonics for electrical machine // The Journal of Engineering. 2019, vol. 2019, no. 17, pp. 3784–3788. DOI: 10.1049/joe.2018.8085.

24. Бабицкий Д. Ю., Топорков Д. М., Приступ А. Г., Темлякова З. С. Способы улучшения гармонического состава магнитного поля в электрических машинах с дробными зубцовыми обмотками // Электротехника. — 2021. — № 6. — С. 31–36.

25. Приступ А. Г., Топорков Д. М., Шевченко А. Ф. Исследование пульсаций момента синхронных магнитоэлектрических машин с дробными зубцовыми обмотками // Электротехника. — 2014. — № 12. — С. 36–40.

26. Ruoho S., Santa-Nokki T., Kolehmainen J., Arkkio A. Modeling magnet length in 2-D finite-element analysis of electric machines //IEEE Transactions on Magnetics. 2009, vol. 45, no. 8, pp. 3114–3120. DOI: 10.1109/TMAG.2009.2018621.

27. Шевченко А. Ф., Салах А. А. М. С., Жуловян В. В. Влияние индуктивных параметров на характеристики магнитоэлектрического двигателя //Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. — 2012. — № 1. — С. 141–149.

28. Бухгольц Ю. Г., Приступ А. Г., Честюнина Т. В. Определение индуктивностей магнитоэлектрических машин с однозубцовыми обмотками // Электротехника. — 2011. — № 6. — С. 25–29.

29. Babitsky D., Toporkov D. Investigation and improvement of flux density harmonic content in electrical machines with fractional slot tooth concentrated windings // 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). IEEE,2019, pp. 1–4. DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949963.