Proceedings of Petersburg Transport University

Известия Петербургского университета путей сообщения

1815-588X 2658-6851

72401

10.20295/1815-588X-2023-4-1004-1015

Проблематика транспортных систем

PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM

Проблематика транспортных систем

Prospective Applying of a Switched Reluctance Motor in the Traction System of a High-Speed Electric Train

Перспективы применения вентильно-индукторного двигателя в системе тяги высокоскоростного электропоезда

Мирошниченко

Екатерина Евгеньевна

Miroshnichenko

Ekaterina Evgenievna

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

Ростовский государственный университет путей сообщения Россия Rostov State Transport University Russian Federation

17 12 2023

20 4 1004 1015 17 12 2023

https://atjournal.ru/en/nauka/article/72401/view

Цель: Применение вентильно-индукторного двигателя (ВИД) в системе тяги высокоскоростного электропоезда за счет повышения работоспособности его подшипников. Используя ВИД в качестве тягового электродвигателя, машиностроительный комплекс может решать задачи, связанные с импортозамещением комплектующих для подвижного состава. Методы: Основными причинами износа подшипникового узла являются силы одностороннего магнитного притяжения (ОМП). Эти силы возникают при асимметрии воздушного зазора вследствие погрешностей при изготовлении деталей и отклонений при сборке электрической машины. Силы ОМП при определенном смещении найдены по тензору натяжения Максвелла. Для этого был использован метод конечных элементов, воплощенный в программе FEMM. Зависимости токов в соответствующих фазах от момента времени, требуемые для нахождения сил, были получены в программе MATLAB (SIMULINK). Результаты: Проведен расчет и анализ сил ОМП при различных вариантах смещения ротора относительно оси симметрии статора, в том числе при вертикальном сдвиге в направлении действия силы тяжести. Расчеты показали, что силы ОМП могут достигать значительных величин. Выдвинуто предложение об ограничении величины силы ОМП величиной силы при предельно допустимом остаточном дисбалансе. Предложены методы, позволяющие исключить неравномерность зазора на этапе производства. Практическая значимость: Результаты исследований могут быть использованы разработчиками при проектировании тягового ВИД, выборе конструкционной величины зазора и назначении допусков в его размерной цепи. Использование ВИД с длительным сроком службы подшипников в системе тягового привода создаст предпосылки для получения нового конкурентоспособного подвижного состава.

Purpose: The use of switched reluctance motor (SRM) in the traction system of a high-speed electric train by increasing the performance of its bearings. Using SRM as a traction electric motor, the machine-building complex can solve problems related to the import substitution of components for rolling stock. Methods: The main reasons for the wear of the bearing assembly are the forces of one-way magnetic attraction (OMA). These forces occur when the air gap is asymmetric due to errors in the manufacture of parts and deviations in the assembly of the electrical machine. The OMA forces at a certain displacement are determined using the Maxwell stress tensor. To achieve this, the finite element method embodied in the FEMM program has been used. The dependences of the currents in the corresponding phases on the moment of time required to find the forces have been obtained using the MATLAB program (SIMULINK). Results: Calculation and analysis of OMA forces is carried out at various variants of rotor displacement relative to the axis of symmetry of the stator, including at vertical shift in the direction of gravity action. Calculations have shown that OMA forces can reach significant values. A proposal has been put forward to limit the magnitude of the OMA force to the magnitude of the force at the maximum permissible residual unbalance. Methods are proposed to eliminate irregularity of the air gap at the stage of production. Practical significance: The results of the studies can be used by the developers in the design of the traction SRM, the selection of the structural value of the gap and the assignment of tolerances in its dimensional chain. The use of SRM with a long life of bearings in the traction drive system will create the prerequisites for obtaining a new competitive rolling stock.

Высокоскоростной электропоезд тяговый электродвигатель вентильно-индукторный двигатель магнитная система неравномерность силы одностороннего магнитного притяжения сила дисбаланса надежность подшипники

High-speed electric train traction motor switched reluctance motor magnetic system irregularity forces of one-way magnetic attraction unbalance force reliability bearings

Лаврикова Ю. Г. Стратегические основы реализации потенциала импортозамещения на примере железнодорожного машиностроения / Ю.Г. Лаврикова, Л.М. Аверина // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. - 2015. - № 3(39). - С. 85-99.

Lavrikova Yu. G. Strategicheskie osnovy realizacii potenciala importozamescheniya na primere zheleznodorozhnogo mashinostroeniya / Yu.G. Lavrikova, L.M. Averina // Ekonomicheskie i social'nye peremeny: fakty, tendencii, prognoz. - 2015. - № 3(39). - S. 85-99.

Косой В. В. России нужны высокоскоростные магистрали / В. В. Косой // Транспорт Российской Федерации. - 2016. - № 5(66). - С. 16-20.

Kosoy V. V. Rossii nuzhny vysokoskorostnye magistrali / V. V. Kosoy // Transport Rossiyskoy Federacii. - 2016. - № 5(66). - S. 16-20.

Постановление Совета Федерации Федерального собрания РФ «О перспективах развития железнодорожного транспорта» от 12 апреля 2023 г. № 156-СФ.

Postanovlenie Soveta Federacii Federal'nogo sobraniya RF «O perspektivah razvitiya zheleznodorozhnogo transporta» ot 12 aprelya 2023 g. № 156-SF.

Мишарин А. С. Высокоскоростной железнодорожный транспорт как ключевой фактор развития транспортной системы России / А. С. Мишарин // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 7(57). - С. 7-10.

Misharin A. S. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhnyy transport kak klyuchevoy faktor razvitiya transportnoy sistemy Rossii / A. S. Misharin // Transport Rossiyskoy Federacii. - 2015. - № 7(57). - S. 7-10.

Дорохина Е. С. Анализ методов контроля теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя при испытаниях и эксплуатации / Е. С. Дорохина. - URL: http://www.rcit.su/article079.html (дата обращения: 25.08.2023).

Dorohina E. S. Analiz metodov kontrolya teplovogo sostoyaniya asinhronnogo tyagovogo elektrodvigatelya pri ispytaniyah i ekspluatacii / E. S. Dorohina. - URL: http://www.rcit.su/article079.html (data obrascheniya: 25.08.2023).

Шевкунова А. В. Повышение эффективности заводского ремонта тяговых электродвигателей / А. В. Шевкунова, Е. Е. Мирошниченко // Известия ТулГУ. - 2023. - Вып. 4. - С. 564-569.

Shevkunova A. V. Povyshenie effektivnosti zavodskogo remonta tyagovyh elektrodvigateley / A. V. Shevkunova, E. E. Miroshnichenko // Izvestiya TulGU. - 2023. - Vyp. 4. - S. 564-569.

Vrenken R. H. S. Switched reluctance motor drive for full electric vehicles. Part II: Practical implementation / R. H. S. Vrenken et al. // Eighth International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco. - 2013. - Pp. 1-7. - DOI: 10.1109/EVER.2013.6521606.

Voron O. A. Improving the Energy Efficiency of Electric Machines For Specialized Railway Rolling Stock / O. A. Voron, A. D. Petrushin // XVIII International Scientific Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED), Ekaterinburg, Russia. - 2021. - Pp. 1-4. - DOI: 10.1109/ACED50605.2021.9462273.

Gaber M. Novel Two-phase 4/6 Switched Reluctance Motor Configuration used in All Electric Ships / M. Gaber, R. Yousef, M. S. Hamad // 23rd International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Cairo, Egypt. - 2022. - Pp. 1-6. - DOI: 10.1109/MEPCON55441.2022.10021713.

10.

Thakre M. Performance Analysis of SRM Based on Asymmetrical Bridge Converter For Plug-in Hybrid Electric Vehicle / M. Thakre, J. Mane, V. Hadke // International Conference on Power, Energy, Control and Transmission Systems (ICPECTS), Chennai, India. - 2020. - Pp. 1-6. - DOI: 10.1109/ICPECTS49113.2020.9337059.

11.

Скрежендевский В. В. Вентильно-индукторный тяговый электродвигатель для тепловоза / В. В. Скрежендевский, А. А. Гулевич // Проблемы безопасности на транспорте: материалы международной научно-практической конференции. - Беларусский государственный университет транспорта, 2015. - С. 80-81.

Skrezhendevskiy V. V. Ventil'no-induktornyy tyagovyy elektrodvigatel' dlya teplovoza / V. V. Skrezhendevskiy, A. A. Gulevich // Problemy bezopasnosti na transporte: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. - Belarusskiy gosudarstvennyy universitet transporta, 2015. - S. 80-81.

12.

Модернизация тепловоза ТГМ6 (ТЭМП 1тт). - URL: http://promelcom.com/modernizaciya-teplovoza-temp-1tt/ (дата обращения: 25.08.2023).

Modernizaciya teplovoza TGM6 (TEMP 1tt). - URL: http://promelcom.com/modernizaciya-teplovoza-temp-1tt/ (data obrascheniya: 25.08.2023).

13.

Анучин А. С. Разработка цифровых систем эффективного управления комплектов тягового электрооборудования гибридных электрических транспортных средств: дисс. … д-ра. техн. наук / А. С. Анучин. - М., 2018. - 445 с.

Anuchin A. S. Razrabotka cifrovyh sistem effektivnogo upravleniya komplektov tyagovogo elektrooborudovaniya gibridnyh elektricheskih transportnyh sredstv: diss. … d-ra. tehn. nauk / A. S. Anuchin. - M., 2018. - 445 s.

14.

Chun G. Investigation of Skewing Effects on the Vibration Reduction of Three-Phase Switched Reluctance Motors / G. Chun, W. Jianhua, S. Mengjie et al. // IEEE Transactions on Magnetic. - 2015. - Vol. 51. - Iss. 9. - Pp. 1-9.

15.

Isfahani A. H. Comparison of Mechanical Vibration Between a Double-Stator Switched Reluctance Machine and a Conventional Switched Reluctance Machine / A. H Isfahani, B. Fahimi // IEEE Transactions on Magnetic. - 2014. - Vol. 50. - Iss. 2. - Pp. 293-296.

16.

Zhu Z. Q. Analytical model for predicting maximum reduction levels of vibration and noise in switched reluctance machine by active vibration cancellation / Z. Q. Zhu, X. Liu., Z. Pan // IEEE Trans. Energy Convers. - 2011. - Vol. 26. - Iss. 1. - Pp. 36-45.

17.

Makino H. Digital PWM-control-based active vibration cancellation for switched reluctance motors / H. Makino, T. Kosaka, N. Matsui // IEEE Trans. Ind. - 2015. - Vol. 51. - Iss. 6. - Pp. 4521-4530.

18.

Cao X. Independent control of average torque and radial force in bearingless switched-reluctance motors with hybrid excitations / X. Cao, Z. Deng, G. Yang et al. // IEEE Trans. Power Electron. - 2009. - Vol. 24. - Iss. 5. - Pp. 1376-1385.

19.

Могила В. С. Особенности расчета тяговых вентильно-индукторных двигателей / В. С. Могила, Т. С. Королек // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: Наука и транспорт . - 2011. - № 2(23). - С. 21-25.

Mogila V. S. Osobennosti rascheta tyagovyh ventil'no-induktornyh dvigateley / V. S. Mogila, T. S. Korolek // Vestnik Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta transporta: Nauka i transport . - 2011. - № 2(23). - S. 21-25.

20.

Мирошниченко Е. Е. Оценка влияния сил одностороннего магнитного притяжения на надежность подшипникового узла вентильно-индукторной электрической машины / Е. Е. Мирошниченко // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2022. - Т. 22. - № 3. - С. 39-51.

Miroshnichenko E. E. Ocenka vliyaniya sil odnostoronnego magnitnogo prityazheniya na nadezhnost' podshipnikovogo uzla ventil'no-induktornoy elektricheskoy mashiny / E. E. Miroshnichenko // Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika. - 2022. - T. 22. - № 3. - S. 39-51.