Моделювання комбінованої системи нахилу кузову швидкісного рухомого складу залізничного транспорту

The actual problem of creating a high-speed railway rolling stock with a combined electromechanical and pneumatic body tilt system is considered. Using the proposed simulation model created in the MATLAB environment, simulation of the rolling stock body tilt while passing a curved track section is carried out. To determine the parameters of the elements of electromechanical and pneumatic drive units, information is necessary about the electrophysical processes, occurring in the tilt system and determining the input parameters for the design of the considered tilt system. The dynamic performance of components of the proposed mechanism is identified, which allows giving practical advice on the choice of parameters of semiconductor converter elements, pneumatic and electromechanical devices of the combined tilt system, and also determining the forces acting in the tilt mechanism elements. Based on these dependencies, it is possible to choose the element base of the semiconductor converter (types of keys and diodes), parameters and types of cylinders of air springs, as well as to determine the load of the elements of the overbogie structure of the rolling stock. The results can be used in the development and design of high-speed railway rolling stock without substantial reconstruction of the existing transport infrastructure.Рассмотрена имитационная модель комбинированной системы наклона кузова скоростного подвижного состава железных дорог. Определен характер изменения механических, электрических, пневматических и энергетических параметров во времени, а также их амплитудные значения, определяющие выбор элементной базы полупроводниковых преобразователей, параметры и типы баллонов пневморессор и нагрузки в элементах надтележечного строения подвижного состава. Результаты можно использовать при проектировании скоростного подвижного состава без существенной реконструкции существующей транспортной инфраструктуры.Розглянуто імітаційну модель комбінованої системи нахилу кузова швидкісного рухомого складу залізниць. Визначено характер зміни механічних, електричних, пневматичних та енергетичних параметрів у часі, а також їх амплітудні значення, що визначають вибір елементної бази напівпровідникових перетворювачів, параметри та типи балонів пневморессор і навантаження в елементах надвізкової будови рухомого складу. Результати можливо використати при проектуванні швидкісного рухомого складу без суттєвої реконструкції існуючої транспортної інфраструктури

Методика вибору оптимальних геометричних параметрів ротору тягового синхронно-реактивного двигуна з постійними несекціанованими магнітами

This paper reports the construction of a mathematical model for determining the electromagnetic momentum of a synchronous reluctance motor with non-partitioned permanent magnets. Underlying it is the calculation of the engine magnetic field using the finite-element method in the flat-parallel problem statement. The model has been implemented in the FEMM finite-element analysis environment. The model makes it possible to determine the engine's electromagnetic momentum for various rotor geometries. The problem of conditional optimization of the synchronous reluctance motor rotor was stated on the basis of the rotor geometric criteria. As an analysis problem, it is proposed to use a mathematical model of the engine's magnetic field. Constraints for geometric and strength indicators have been defined. The Nelder-Mead method was chosen as the optimization technique. The synthesis of geometrical parameters of the synchronous reluctance motor rotor with non-partitioned permanent magnets has been proposed on the basis of solving the problem of conditional optimization. The restrictions that are imposed on optimization parameters have been defined. Based on the study results, the dependence of limiting the angle of rotation of the magnet was established on the basis of strength calculations. According to the calculation results based on the proposed procedure, it is determined that the optimal distance from the interpole axis and the angle of rotation of magnets is at a limit established by the strength of the rotor structure. Based on the calculations, the value of the objective function decreased by 24.4 % (from −847 Nm to −1054 Nm), which makes it possible to significantly increase the electromagnetic momentum only with the help of the optimal arrangement of magnets on the engine rotor. The results of solving the problem of synthesizing the rotor parameters for a trolleybus traction motor helped determine the optimal geometrical parameters for arranging permanent magnets.Разработана математическая модель по определению электромагнитного момента синхронно-реактивного двигателя с несекционированными постоянными магнитами. Она базируется на расчете магнитного поля двигателя методом конечных элементов в плоско-параллельной постановке задачи. Модель реализована в среде конечно-элементного анализа FEMM. Она позволяет определять электромагнитный момент двигателя при разнообразной геометрии ротора. Проведена постановка задачи условной оптимизации ротора синхронно-реактивного двигателя по геометрическим критериям ротора. В качестве задачи анализа предложено использовать математическую модель магнитного поля двигателя. Установлены ограничения по геометрическим и прочностным показателям. В качестве метода оптимизации выбран метод Нелдера-Мида. Предложен синтез геометрических параметров ротора синхронно-реактивного двигателя с несекционированными постоянными магнитами на основании решения задачи условной оптимизации. Определены ограничения, которые накладываются на параметры оптимизации. По результатам исследований идентифицирована зависимость ограничения угла поворота магнита на основании прочности расчетов. По результатам расчетов и предложенной методике определено, что оптимальное расстояние от межполюсной оси и угол поворота магнитов находится на ограничении, установленном по прочности конструкции ротора. По результатам расчетов значение целевой функции уменьшилось на 24,4 % (с –847 Нм до –1054 Нм), что дает возможность значительного повышения электромагнитного момента только с помощью оптимального расположения магнитов на роторе двигателя. По результатам решения задачи синтеза параметров ротора тягового двигателя троллейбуса определены оптимальные геометрические параметры расположения постоянных магнитовРозроблена математична модель по визначенню електромагнітного моменту синхронно-реактивного двигуна з несекціанованими постійними магнітами. Вона базується на розрахунку магнітного поля двигуна методом скінчених елементів у плоско-паралельній постановці задачі. Модель реалізована в середовищі скінчено-елементного аналізу FEMM. Модель дає можливість визначати електромагнітний момент двигуна при різноманітній геометрії ротору. Проведено постановку задачі умовної оптимізації ротору синхронно-реактивного двигуна за геометричними критеріями ротору. В якості задачі аналізу запропоновано використати математичну модель магнітного поля двигуна. Встановлено обмеження за геометричними та міцностними показниками. У якості метода оптимізації обрано метод Нелдера-Міда. Запропоновано синтез геометричних параметрів ротору синхронно-реактивного двигуна з несекціанованими постійними магнітами на підставі вирішення задачі умовної оптимізації. Визначені обмеження, які накладаються на параметри оптимізації. За результатами досліджень ідентифіковано залежність обмеження куту повороту магніту на підставі розрахунків на міцність. За результатами розрахунків на підставі запропонованої методики визначено, що оптимальна відстань від міжполюсної осі та кут повороту магнітів знаходиться на обмеженні, що встановлено за міцністю конструкції ротора. За результатами розрахунків значення цільової функції зменшилося на 24,4 % (з –847 Нм до –1054 Нм), що дає можливість значно підвищити електромагнітний момент лише за допомогою оптимального розташування магнітів на роторі двигуна. За результатами вирішення задачі синтезу параметрів ротору тягового двигуна тролейбусу визначено оптимальні геометричні параметри розташування постійних магніті

Визначення електричних втрат тягового приводу електропоїзду на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів

We have studied a traction drive based on the synchronous motor with excitation from permanent magnets for its electrical losses. A simulation model of the traction drive is synthesized, which employs the algorithm of a space-vector PWM. A special feature of the model is the application of parameters of actual IGBT-transistors and the possibility for obtaining instantaneous values of electric losses in transistors and snubbers of the inverter under different modes of operation. We have devised a procedure for calculating electric losses in the traction engine based on the shape of phase currents, geometrical and electrical parameters of the engine. Simulation of the traction drive and calculation of losses in the traction engine is integrated, which makes it possible to account for the impact of the inverter and engine on each other.We have simulated work of the reducer-free traction drive based on a synchronous motor with excitation from permanent magnets with a capacity of 80 kW. The dependences were constructed for losses in the traction inverter and engine on the clock frequency of a space-vector PWM and motion speed.The proposed procedure makes it possible to quantify the magnitude of electric losses in the traction drive elements depending on the types of transistors applied, clock frequency of the inverter, and parameters of the engine. This enables the optimization of the traction drive for the criterion of maximum performance efficiency, as well as thermal calculation of the elements of the drive.Идентифицированы параметры инвертора напряжения тягового привода на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Синтезирована имитационная модель тягового привода, позволяющая получить мгновенные значения электрических потерь в инверторе и двигателе. Проанализирована зависимость электрических потерь от скорости движения поезда и тактовой частоты инвертораІдентифіковано параметри інвертора напруги тягового приводу на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. Синтезовано імітаційну модель тягового приводу, що дозволяє отримати миттєві значення електричних втрат в інверторі та двигуні. Проаналізовано залежність електричних витрат від швидкості руху поїзда та тактової частоти інвертор

Визначення електричних втрат тягового приводу електропоїзду на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів

We have studied a traction drive based on the synchronous motor with excitation from permanent magnets for its electrical losses. A simulation model of the traction drive is synthesized, which employs the algorithm of a space-vector PWM. A special feature of the model is the application of parameters of actual IGBT-transistors and the possibility for obtaining instantaneous values of electric losses in transistors and snubbers of the inverter under different modes of operation. We have devised a procedure for calculating electric losses in the traction engine based on the shape of phase currents, geometrical and electrical parameters of the engine. Simulation of the traction drive and calculation of losses in the traction engine is integrated, which makes it possible to account for the impact of the inverter and engine on each other.We have simulated work of the reducer-free traction drive based on a synchronous motor with excitation from permanent magnets with a capacity of 80 kW. The dependences were constructed for losses in the traction inverter and engine on the clock frequency of a space-vector PWM and motion speed.The proposed procedure makes it possible to quantify the magnitude of electric losses in the traction drive elements depending on the types of transistors applied, clock frequency of the inverter, and parameters of the engine. This enables the optimization of the traction drive for the criterion of maximum performance efficiency, as well as thermal calculation of the elements of the drive.Идентифицированы параметры инвертора напряжения тягового привода на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Синтезирована имитационная модель тягового привода, позволяющая получить мгновенные значения электрических потерь в инверторе и двигателе. Проанализирована зависимость электрических потерь от скорости движения поезда и тактовой частоты инвертораІдентифіковано параметри інвертора напруги тягового приводу на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. Синтезовано імітаційну модель тягового приводу, що дозволяє отримати миттєві значення електричних втрат в інверторі та двигуні. Проаналізовано залежність електричних витрат від швидкості руху поїзда та тактової частоти інвертор

Методика моделювання динамічних процесів електромеханічного амортизатору для вагону метрополітену

A procedure has been devised for modeling the dynamic processes in the proposed structure of an electromechanical shock absorber. Such shock absorbers can recuperate a part of the energy of oscillations into electrical energy allowing the subsequent possibility to use it by rolling stock. The procedure is based on solving the Lagrange equation for the electromechanical system. The model's features are as follows. The model takes the form of a Cauchy problem, thereby making it possible to use it when simulating the processes of shock absorber operation. Two generalized coordinates have been selected (the charge and displacement of the armature). The components of the Lagrange equation have been identified. Based on the results from magnetic field calculation and subsequent regression analysis, we have derived polynomial dependences of flux linkage derivatives for the current and linear displacement of an armature, which make it possible to identify a generalized mathematical model of the electromechanical shock absorber. The magnetic field calculations, performed by using a finite-element method, have allowed us to derive a digital model of the magnetic field of an electromechanical shock absorber. To obtain its continuous model, a regression analysis of discrete field models has been conducted. When choosing a structure for the approximating model, a possibility to analytically differentiate partial derivatives for all coordinates has been retained. Based on the results from modeling free oscillations, it was established that the maximum module value of current is 0.234 A, voltage – 52.9 V. The process of full damping of oscillations takes about 3 seconds over 4 cycles. Compared to the basic design, the amplitude of armature oscillations and its velocity dropped from 13 to 85 % over the first three cycles, indicating a greater efficiency of electromechanical shock absorber operation in comparison with a hydraulic one. The recuperated energy amounted to 3.3 J, and the scattered energy – 11.5 J.Для предложенной конструкции электромеханического амортизатора разработана методика моделирования динамических процессов. Такие амортизаторы имеют возможность рекуперировать часть энергии колебаний в электрическую энергию с последующей возможностью ее использования на подвижном составе. Методика основана на решении уравнения Лагранжа для электромеханической системы. Особенности модели состоят в следующем. Модель имеет вид задачи Коши, который удобен для моделирования процессов работы амортизатора. Выбраны две обобщенные координаты (заряд и перемещения якоря). Идентифицированы составные части уравнения Лагранжа. По результатам расчета магнитного поля и дальнейшего регрессионного анализа получены полиномиальные зависимости производных потокосцепления по току и линейному перемещению якоря, которые дают возможность идентифицировать математическую модель электромеханического амортизатора. Проведенные расчеты магнитного поля методом конечных элементов позволили получить цифровую модель магнитного поля электромеханического амортизатора. Для получения ее непрерывной модели проведен регрессионный анализ дискретной модели поля. При выборе структуры аппроксимирующей модели соблюдена возможность аналитического дифференцирования частных производных по всем координатам. По результатам моделирования свободных колебаний установлено, что максимальное по модулю значение тока составляет 0,234 А, а напряжения – 52,9 В. Около 3 с. проходит процесс полного погашения колебаний за 4 периода. Сравнительно с базовой конструкцией амплитуда колебаний хода якоря и его скорости снизилась от 13 до 85 % за первые три периода, что свидетельствует о большей эффективности работы электромеханического амортизатора по сравнению с гидравлическим. Энергия, которая рекуперирована, составила 3,3 Дж, а которая рассеяна – 11,5 ДжДля запропонованої конструкції електромеханічного амортизатору розроблено методика моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжу для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання при моделювання процесів роботи амортизатору. Обрані дві узагальнені координати (заряд та переміщення якорю). Ідентифіковані складові частини рівняння Лагранжу. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току і лінійному переміщенню якоря, які дають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель електромеханічного амортизатору. Проведено розрахунки магнітного поля методом скінчених елементів дозволили отримати цифрову модель магнітного поля електромеханічного амортизатору. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналізу дискретні моделі поля. Про виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги – 52,9 В. За близько 3 с. проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші три періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи електромеханічного амортизатору в порівнянні з гідравлічним. Енергія, що рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, що розсіяно – 11,5 Д

Вдосконалення моделі асинхронного тягового двигуна для роботи з несиметричними обмотками статора

The analysis of operating conditions of induction traction motors as part of traction electric drives of electric locomotives reported here has revealed that they are powered by autonomous voltage inverters with asymmetric non-sinusoidal voltage. It was established that the induction motor operation may be accompanied by defects caused by the asymmetrical modes of the motor stator. A model of the induction motor has been proposed that takes into consideration changes in the values of mutual inductance of phases and complete inductance of the magnetization circuit due to changes in the geometric dimensions of the winding caused by a certain defect. An algorithm that considers the saturation of the magnetic circuit of the electric motor has been proposed. This approach to modeling an induction motor is important because if one of the stator's windings is damaged, its geometry changes. This leads to a change in the mutual inductance of phases and the complete inductance of the magnetization circuit. Existing approaches to modeling an induction motor do not make it possible to fully take into consideration these changes. The result of modeling is the determined starting characteristics for an intact and damaged engine. The comparison of modeling results for an intact engine with specifications has shown that the error in determining the controlled parameters did not exceed 5 %. The modeling results for the damaged engine demonstrated that the nature of change in the controlled parameters did not contradict the results reported by other authors. The discrepancy in determining the degree of change in the controlled parameters did not exceed 10 %. That indicates a high reliability of the modeling results. The proposed model of an induction electric motor could be used to investigate electromagnetic processes occurring in an electric motor during its operation as part of the traction drive of electric locomotivesПроведенный анализ условий эксплуатации асинхронных тяговых двигателей в составе тяговых электроприводов электровозов показал, что их питание осуществляется от автономных инверторов напряжения с несимметричным несинусоидальным напряжением. Установлено, что в процессе эксплуатации в асинхронном двигателе могут возникнуть дефекты, которые вызывают несимметричные режимы статора двигателя. Предложена модель асинхронного двигателя с учетом изменения величин взаимных индуктивностей фаз и полной индуктивности цепи намагничивания от изменения геометрических размеров обмотки, вызванной тем или иным дефектом. Предложен алгоритм учета насыщения магнитопровода электродвигателя. Такой подход к моделированию асинхронного двигателя является важным тем, что при повреждении одной из обмоток статора происходит изменение ее геометрии. Это приводит к изменению взаимных индуктивностей фаз и полной индуктивности цепи намагничивания. Существующие подходы к моделированию асинхронного двигателя не позволяют в полной мере учитывать эти изменения. В результате моделирования получены пусковые характеристики для неповрежденного и поврежденного двигателя. Сравнение результатов моделирования для неповрежденного двигателя с паспортными данными показали, что погрешность определения контролируемых параметров не превысила 5 %. Полученные результаты моделирования для поврежденного двигателя показали, что характер изменения контролируемых параметров не противоречат результатам, приведенным в работах других авторов. Разница в определении степени изменений контролируемых параметров не превысила 10 %. Это свидетельствует о высокой достоверности результатов моделирования. Предложенная модель асинхронного электродвигателя может быть применена для исследования электромагнитных процессов, происходящих в электродвигателе при его эксплуатации в составе тягового привода электровозовПроведений аналіз умов експлуатації асинхронних тягових двигунів у складі тягових електроприводів електровозів показав, що їх живлення здійснюється від автономних інверторів напруги з несиметричною несинусоїдальною напругою. Встановлено, що в процесі експлуатації в асинхронному двигуні можуть виникнути дефекти, які викликають несиметричні режими статора двигуна. Запропоновано модель асинхронного двигуна з врахуванням зміни величин взаємних індуктивностей фаз та повної індуктивності кола намагнічування від зміни геометричних розмірів обмотки, викликаної тим чи іншим дефектом. Запропоновано алгоритм врахування насичення магнітопроводу електродвигуна. Такий підхід до моделювання асинхронного двигуна є важливим тому, що при ушкодженні однієї з обмоток статора відбувається зміна її геометрії. Це призводить до зміни взаємних індуктивностей фаз і повної індуктивності кола намагнічування. Існуючі підходи до моделювання асинхронного двигуна не дозволяють в повній мірі враховувати ці зміни. В результаті моделювання отримані пускові характеристики для неушкодженого і ушкодженого двигуна. Порівняння результатів моделювання для неушкодженого двигуна з паспортними даними показали, що похибка визначення контрольованих параметрів не перевищила 5 %. Отримані результати моделювання для ушкодженого двигуна показали, що характер зміни контрольованих параметрів не суперечать результатам, наведеним в роботах інших авторів. Розбіжність у визначенні ступеню змін контрольованих параметрів не перевищила 10 %. Це свідчить про високу достовірність результатів моделювання. Запропонована модель асинхронного електродвигуна може бути застосована для дослідження електромагнітних процесів, що відбуваються в електродвигуні під час його експлуатації в складі тягового приводу електровозі

Методика моделювання динамічних процесів електромеханічного амортизатору для вагону метрополітену

A procedure has been devised for modeling the dynamic processes in the proposed structure of an electromechanical shock absorber. Such shock absorbers can recuperate a part of the energy of oscillations into electrical energy allowing the subsequent possibility to use it by rolling stock. The procedure is based on solving the Lagrange equation for the electromechanical system. The model's features are as follows. The model takes the form of a Cauchy problem, thereby making it possible to use it when simulating the processes of shock absorber operation. Two generalized coordinates have been selected (the charge and displacement of the armature). The components of the Lagrange equation have been identified. Based on the results from magnetic field calculation and subsequent regression analysis, we have derived polynomial dependences of flux linkage derivatives for the current and linear displacement of an armature, which make it possible to identify a generalized mathematical model of the electromechanical shock absorber. The magnetic field calculations, performed by using a finite-element method, have allowed us to derive a digital model of the magnetic field of an electromechanical shock absorber. To obtain its continuous model, a regression analysis of discrete field models has been conducted. When choosing a structure for the approximating model, a possibility to analytically differentiate partial derivatives for all coordinates has been retained. Based on the results from modeling free oscillations, it was established that the maximum module value of current is 0.234 A, voltage – 52.9 V. The process of full damping of oscillations takes about 3 seconds over 4 cycles. Compared to the basic design, the amplitude of armature oscillations and its velocity dropped from 13 to 85 % over the first three cycles, indicating a greater efficiency of electromechanical shock absorber operation in comparison with a hydraulic one. The recuperated energy amounted to 3.3 J, and the scattered energy – 11.5 J.Для предложенной конструкции электромеханического амортизатора разработана методика моделирования динамических процессов. Такие амортизаторы имеют возможность рекуперировать часть энергии колебаний в электрическую энергию с последующей возможностью ее использования на подвижном составе. Методика основана на решении уравнения Лагранжа для электромеханической системы. Особенности модели состоят в следующем. Модель имеет вид задачи Коши, который удобен для моделирования процессов работы амортизатора. Выбраны две обобщенные координаты (заряд и перемещения якоря). Идентифицированы составные части уравнения Лагранжа. По результатам расчета магнитного поля и дальнейшего регрессионного анализа получены полиномиальные зависимости производных потокосцепления по току и линейному перемещению якоря, которые дают возможность идентифицировать математическую модель электромеханического амортизатора. Проведенные расчеты магнитного поля методом конечных элементов позволили получить цифровую модель магнитного поля электромеханического амортизатора. Для получения ее непрерывной модели проведен регрессионный анализ дискретной модели поля. При выборе структуры аппроксимирующей модели соблюдена возможность аналитического дифференцирования частных производных по всем координатам. По результатам моделирования свободных колебаний установлено, что максимальное по модулю значение тока составляет 0,234 А, а напряжения – 52,9 В. Около 3 с. проходит процесс полного погашения колебаний за 4 периода. Сравнительно с базовой конструкцией амплитуда колебаний хода якоря и его скорости снизилась от 13 до 85 % за первые три периода, что свидетельствует о большей эффективности работы электромеханического амортизатора по сравнению с гидравлическим. Энергия, которая рекуперирована, составила 3,3 Дж, а которая рассеяна – 11,5 ДжДля запропонованої конструкції електромеханічного амортизатору розроблено методика моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжу для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання при моделювання процесів роботи амортизатору. Обрані дві узагальнені координати (заряд та переміщення якорю). Ідентифіковані складові частини рівняння Лагранжу. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току і лінійному переміщенню якоря, які дають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель електромеханічного амортизатору. Проведено розрахунки магнітного поля методом скінчених елементів дозволили отримати цифрову модель магнітного поля електромеханічного амортизатору. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналізу дискретні моделі поля. Про виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги – 52,9 В. За близько 3 с. проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші три періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи електромеханічного амортизатору в порівнянні з гідравлічним. Енергія, що рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, що розсіяно – 11,5 Д

Визначення впливу геометрії пазу статора тягового синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами на рівень зубчатого електромагнітного моменту

This paper reports the model of a magnetic field of the synchronous reluctance motor with permanent magnets that was developed on the basis of a finite-element method. The model was implemented in the FEMM finite-element analysis programming environment involving the application of the Lua-based script. The model makes it possible to determine the dependence of the engine's electromagnetic moment on the rotor rotation angle. Determining the level of a saw-shaped moment is important for assessing its harmful effect on the structural elements of the traction motor and the drive in general. The results of digital modeling have established the dependences of the electromagnetic moment on the rotor rotation angle. The moment has a variable component – the saw-shaped moment, whose amplitude for open grooves under a rated load mode is 182 Nm, and for semi-open grooves ‒ 90 Nm. The use of semi-open grooves exerts a positive effect on eliminating the saw-shaped moment in a synchronous reluctance motor with permanent magnets and may be recommended for further application on engines of this type. Semi-open grooves reduce the opening of the stator groove by 2 times and lead to a smoother flux distribution under the gear division. That reduces the oscillations of the main magnetic flux. The proposed application of semi-open stator grooves makes it possible to reduce by more than 2 times the level of a saw-shaped moment of the synchronous reluctance motor with permanent magnets under a rated mode. It has been determined that a rather positive factor is an increase of 4.8 % in the average motor moment value under a rated mode when using semi-open grooves. This is due to a decrease in the average value of magnetic resistance to the main magnetic flux. Therefore, with a simultaneous decrease in the moment's fluctuations, the transition to semi-open grooves makes it possible to improve the mass-dimensional indicators of the motor in general.На основе метода конечных элементов разработана модель магнитного поля синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами. Модель реализована в среде конечно-элементного анализа FEMM с одновременным использованием скрипта на языке Lua. Модель дает возможность определять зависимость электромагнитного момента двигателя от угла поворота ротора. Определение уровня зубчатого момента важно для оценки его вредного воздействия на элементы конструкции тягового двигателя и привода в целом. По результатам цифрового моделирования получены зависимости электромагнитного момента от угла поворота ротора. Момент имеет переменную составляющую – зубчатый момент – амплитуда которой, для открытых пазов в режиме номинальной нагрузки составляет 182 Нм, а для полуоткрытых пазов 90 Нм. Применение полуоткрытых пазов положительно влияет на борьбу с зубчатым моментом синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами и может быть рекомендовано к дальнейшему использованию на двигателях подобного типа. Полуоткрытые пазы уменьшает в 2 раза открытия паза статора и приводит к более плавному распределению потока под зубчатым делением. Это приводит уменьшения колебаний основного магнитного потока. Предложенное применение полуоткрытых пазов статора позволяет более чем в 2 раза снизить уровень зубчатого момента синхронно-реактивного двигателя с постоянными магнитами в номинальном режиме. Определено, что довольно положительным фактором является увеличение на 4,8 % среднего значения момента двигателя в номинальном режиме при применении полуоткрытых пазов. Это объясняется снижением среднего значения магнитного сопротивления основному магнитному потоку. Поэтому с одновременным уменьшением колебания момента переход к полуоткрытых пазов дает возможность поднять массогабаритные показатели двигателя в целомНа основі методу скінчених елементів розроблено модель магнітного поля синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами. Модель реалізована в середовищі скінчено-елементного аналізу FEMM з одночасним використанням скрипту на мові Lua. Модель дає можливість визначати залежність електромагнітного моменту двигуна від куту обертання ротору. Визначення рівня зубчастого моменту важливо для оцінки його шкідливого впливу на елементи конструкції тягового двигуна та приводу в цілому. За результатами цифрового моделювання отримані залежності електромагнітного моменту від кута повороту ротору. Момент має змінну складову – зубчастий момент, – амплітуда якої для відкритих пазів у режимі номінального навантаження складає 182 Нм, а для напіввідкритих пазів 90 Нм. Застосування напіввідкритих пазів позитивно впливає на боротьбу з зубчастим моментом синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами та може бути рекомендовано до подальшого вживання на двигунах подобного типу. Напіввідкриті пази зменшує у 2 рази відкриття пазу статора та призводить до більш плавного розподілу потоку під зубчастим поділом. Це призводить зменшення коливань основного магнітного потоку. Запропоноване застосування напіввідкритих пазів статору дозволяє більше ніж у 2 рази знизити рівень зубчастого моменту синхронно-реактивного двигуна з постійними магнітами у номінальному режимі. Визначено, що доволі позитивним фактором є збільшення на 4,8 % середнього значення моменту двигуна в номінальному режимі при застосуванні напіввідкритих пазів. Це обумовлюється зниженням середнього значення магнітного опору основному магнітному потоку. Тому з одночасним зменшенням коливання моменту перехід до напіввідкритих пазів дає можливість підняти масогабаритні показники двигуна в цілом

Розробка методики вибору оптимальних параметрів електромеханічного амортизатору для вагону метрополітену

A procedure for determining basic estimation parameters has been devised for the proposed structure of the electromechanical shock absorber. The procedure is based on a simplified mathematical model for determining the electromagnetic and electromotive force for the electromechanical shock absorber. Feature of the model is taking into consideration the operational modes of permanent magnet based on the calculation of a magnetic circle. The model devised makes it possible to perform approximate calculation of the shock absorber operational modes and could be used for solving the problem on the optimization of parameters for an electric shock absorber. We have verified adequacy of the constructed simplified mathematical model by comparing the results from calculating the mechanical characteristic for a shock absorber based on the simplified procedure and those obtained using a finite element method in the axial-symmetrical statement of the problem. There is a good match between the results from calculations based on the simplified procedure and from modeling a magnetic field using the method of finite elements. We have determined the geometric relationships between the elements of the structure that ensure the optimal uniform magnetic load on the elements of the magnetic circuit. The problem on the conditional two-criteria optimization of parameters for the electromechanical shock absorber has been stated. We have chosen constraints that are divided into the three following categories. Constraints for a permanent magnet demagnetization that make it possible to maintain operability of the permanent magnet. Constraints for a current density, which ensures the thermal modes in the shock absorber operation. Constraints for assembly and constraints for the parameters of an optimization problem, which enable the arrangement of a structure within the running part of a carriage. It has been proposed to choose the reduced volume of a shock absorber as a criterion, which predetermines the cost of constructing a shock absorber, and its efficiency as a criterion, which predetermines the recuperated energy of oscillations. The parameters were convoluted to a single objective cost function; the weights were defined. We have chosen, as an optimization method, the combined method that includes a genetic algorithm at the preliminary stage of the search. At the final stage of an optimization procedure an optimum is refined by using the Nelder-Mead method. The result from solving the optimization problem on the shock absorber's parameters is the defined optimal geometric dimensions and the number of turns in the winding of the electromechanical shock absorber.Для предложенной конструкции электромеханического амортизатора разработана методика определения основных расчетных параметров. Методика основана на упрощенной математической модели по определению электромагнитной и электродвижущей сил электромеханического амортизатора. Особенностью модели является учет режимов работы постоянного магнита на основе расчета магнитной цепи. Созданная модель позволяет проводить приблизительный расчет режимов работы амортизатора и может быть использована в решении задачи оптимизации параметров электроамортизатора. Проведена проверка адекватности разработанной упрощенной математической модели путем сравнения результатов расчета механической характеристики амортизатора по упрощенной методике и методом конечных элементов в аксиально-симметричной постановке задачи. Получены хорошие совпадения результатов расчетов по упрощенной методике и путем моделирования магнитного поля методом конечных элементов. Определены геометрические соотношения между элементами конструкции, которые обеспечивают оптимальные равномерные магнитные нагрузки в элементах магнитопровода. Проведена постановка задачи условной двухкритериальной оптимизации параметров электромеханического амортизатора. Выбранные ограничения разделены на три следующие категории. Ограничения по размагничивания постоянного магнита, позволяющие сохранить работоспособность постоянного магнита. Ограничения по плотности тока, которое обеспечивает тепловые режимы работы амортизатора. Компоновочные ограничения и ограничения на параметры задачи оптимизации, обеспечивающие размещение конструкции в ходовой части тележки. Предложено в качестве критериев выбрать приведенный объем амортизатора, обусловливающий затраты на создание амортизатора, и его КПД, который обусловливает величину рекуперированной энергии колебаний. Проведена свертка параметров к единой целевой функции затрат с выбором весовых коэффициентов. В качестве метода оптимизации выбран комбинированный метод, включающий в себя генетический алгоритм, на начальном этапе поиска. На завершающем этапе оптимизационной процедуры уточнения оптимума осуществляется методом Нелдера-Мида. По результатам решения задачи оптимизации параметров амортизатора определены оптимальные геометрические размеры и количество витков обмотки электромеханического амортизатораДля запропонованої конструкції електромеханічного амортизатору розроблено методика визначення основних розрахункових параметрів. Методика основана на спрощеній математичній моделі по визначенню електромагнітної та електрорушійної сили електромеханічного амортизатору. Особливістю моделі є урахування режимів роботи постійного магніту на основі розрахунку магнітного кола. Створення модель дозволяє проводити приблизний розрахунок режимів роботи амортизатора та може бути використана у вирішенні задачі оптимізації параметрів електроамортизатору. Проведено перевірка адекватності розробленої спрощеної математичної моделі шляхом порівняння результатів розрахунку механічної характеристики амортизатора за спрощеною методикою та методом кінцевих елементів в аксиально-симетричній постановці задачі. Отримано наявне добре співпадіння результатів розрахунків за спрощеною методикою та шляхом моделювання магнітного поля за методом кінцевих елементів. Визначенні геометричні співвідношення між елементами конструкції, які забезпечують оптимальне рівномірне магнітне навантаження в елементах магнітопроводу. Проведена постановка задачі умовної двокритеріальної оптимізації параметрів електромеханічного амортизатору. Обрані обмеження, що поділено на три наступні категорії. Обмеження за розмагніченням постійного магніту, що дозволяють зберегти працездатність постійного магніту. Обмеження за щільністю струму, яке забезпечує теплові режими роботи амортизатору. Компоновачні обмеження та обмеження на параметри задачі оптимізації, що забезпечують розміщення конструкції у ходовій частині візка. Запропоновано у якості критеріїв обрати приведений об’єм амортизатору, що обумовлює затрати на створення амортизатору та його ККД, який обумовлює рекуперовану енергію коливань. Проведено згортку параметрів до єдиної цільової функції затрат та обрані вагові коефіцієнти. У якості метода оптимізації обрано комбінований метод, що включає в себе генетичний алгоритм, на попередньому етапі пошуку. На завершальному етапі оптимізаційної процедури уточнення оптимуму здійснюється методом Нелдера-Міда. За результатами вирішення задачі оптимізації параметрів амортизатору визначені оптимальні геометричні розміри та кількість витків обмотки електромеханічного амортизатор

Оцінка якості систем керування тяговим вентильно-індукторним приводом гібридного тепловозу

We have studied the valve-inductor drive for its application as a traction motor in a hybrid locomotive. We identifying parameters of the valve-inductor engine and built its simulation model based on a Lagrange equation. The model constructed makes it possible to take into consideration non-linearity of the engine. We have synthesized a modal speed controller and a controller based on fuzzy logic for the valve-inductor drive of a hybrid locomotive. The operation of two types of controllers was analyzed in terms of their influence on the basic quality indicators of control; it was found that the fuzzy controller was better at processing the set value of input magnitude. We have designed a simulation model of the traction valve-inductor drive of a hybrid locomotive with a fuzzy speed controller, and studied its work along a railroad section with actual profile and limitations.Control systems based on a modal controller and fuzzy logic were synthesized. It is established that the modal controller has the following quality indicators: maximal overshoot – 12.27 %, re-adjustment time – 5.08 s, number of oscillations – 2. For the FPID-controller, the quality indicators are: 3.75 %, 3.01 s, and 1, respectively. Thus, on analyzing the quality of their operation, it was found that the best indicators were demonstrated by the FPID- controller.The built physical model of the valve-inductor drive, specifically the system wheelset-engine with a control system that employs the fuzzy algorithm of speed regulation, confirms the feasibility of a fuzzy controller.Идентифицированы параметры вентильно-индукторного двигателя и создана его имитационная модель. Синтезирован модальный регулятор скорости и регулятор на базе нечеткой логики. Проанализирована работа двух типов регуляторов на основные показатели качества регулирования. По результатам анализа установлено, что нечеткий регулятор более точно отрабатывает регулируемую величинуІдентифіковано параметри вентильно-індукторного двигуна та створена його імітаційна модель. Синтезовано модальний регулятор швидкості та регулятор на базі нечіткої логіки. Проаналізовано роботу двох типів регуляторів на основні показники якості регулювання. За результатами аналізу встановлено, що нечіткий регулятор більш точно відпрацьовує регульовану величин