Оптимизация параметров тихоходного синхронного двигателя с постоянными магнитами для линейного привода длинноходового одноступенчатого поршневого компрессора

В статье предложено решение задачи оптимизации конструкции магнитной системы тихоходного синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) в составе перспективного к использованию в компрессоростроении линейного привода одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения подвижной части. В качестве критерия оптимальности используется максимум КПД электромеханического преобразователя. Решением задачи оптимизации установлена в аналитическом виде взаимосвязь конструктивных параметров с энергетическими показателями СДПМ. Приведено обоснование максимально возможного КПД СДПМ для синусоидального и несинусоидального законов движения индуктора.

ЦЕЛЬ: Получение решения задачи оптимизации конструкции магнитной системы тихоходного СДПМ в составе линейного привода одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения подвижной части, удовлетворяющего критерию максимума КПД электромеханического преобразователя.

МЕТОДЫ: Использовались методы теории электромеханических преобразователей энергии, теоретической электротехники, математического моделирования, методы оптимизации, вариационного, дифференциального и интегрального исчисления, а также экспериментальные методы.

РЕЗУЛЬТАТЫ: Приведены результаты экспериментального исследования разработанного макетного образца тихоходного СДПМ в составе линейного привода длинноходового одноступенчатого поршневого компрессора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Наибольший КПД СДПМ достигается, когда ток в обмотке якоря изменяется во времени прямо пропорционально скорости движения индуктора. Для обеспечения указанного режима предлагается
использовать частотный преобразователь с открытым программным кодом, позволяющий реализовать временную зависимость тока в обмотке якоря в соответствии с заданным законом движения подвижной части. Управление СДПМ осуществляется частотным преобразователем на основе созданных в среде MexBios структурных моделей.

1. Yusha VL, Busarov SS, Gromov AYu. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units // Сhemical and petroleum engineering. 2017. Chemical and Petroleum Engineering, 53(7–8).

2. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчет. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2006. 456 с.

3. Huang Y. Hy draulic System Design of Hydraulic Actuators for Large Butterfly Valves // J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2014. V 7. pp. 150–155.

4. Петров Т.И., Сафин А.Р. Разработка и реализация стенда для подтверждения эффективности топологической оптимизации ротора синхронных двигателей с постоянными магнитами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 2 (50). С. 100-108.

5. Ang S., Rong-ming C., Hui-xing Z. Research on the iterative learning control method for linear motor driven compressor // International Conference on Electrical Machines and Systems, 2011, pp. 1–4.

6. Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободно-поршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 38-48.

7. Исмагилов Ф.Р., Герасин А.А., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. И87 Электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Машиностроение, 2014. 267 с.

8. Юша В.Л., Бусаров С.С. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 4. С. 80–89.

9. Бусаров С.С., Васильев В.К., Бусаров И.С., и др. Параметрический анализ рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней на базе верифицированной методики расчета // Омский научный вестник №4 (154). Омск, 2017 С.40-44.

10. Cui F., Sun Z., Xu W. Comparative analysis of bilateral permanent magnet linear synchronous motors with different structures // CES Trans. Electr. Mach. Syst. 2020. V. 4. №2. pp. 142–150, 2020.

11. Yusha V.L., Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V., Tatevosyan A.А., Comparative Analysis of the Magnetoelectric Drive with Linear Drives of Low-Speed Single-Stage Piston Units AIP Conference Proceedings 2285, 030066-2020. p/030066-1-030066-8.: https://doi.org/10.1063/5.0027290.

12. Пахомин С.А., Пахомин Л.С. Оптимизационное проектирование вентильных машин с постоянными магнитами на пакета FEMM // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61. № 6. С. 26-31.

13. Татевосян А.А. Решение задачи оптимального управления магнитоэлектрического привода колебательного движения // Омский научный вестник.2019. №4 (166). С.48-51.

14. Ряшенцев, Н.П., Ковалев, Ю.З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Новосибирск: Наука, 1974. 186 с.

15. Tatevosyan A.A., Polyakov, D.A., Kholmov, M.A. Characteristics research of a permanent magnet linear synchronous motor driving piston compressor // Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021.

16. Poltschak F.A high efficient linear motor for compressor applications // 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2014, pp. 1356–1361.