Calculation of magnetic losses with non-uniform distribution of magnetic induction in the stator tooth of a switched reluctance motor

Abstract

The aim of this study is to investigate and determine the effect of accounting for the nonuniform distribution of magnetic induction (by detailing the stator tooth model) on the calculation results of magnetic losses in the stator teeth of a switched reluctance motor in quasi-steady-state modes. To achieve this goal, dependencies of phase flux linkage, electromagnetic torque of the motor, and additionally, dependencies of the root mean square values of magnetic inductions in stator tooth elements on the rotor angle and current have been determined using the finite element method. An investigation of dynamic modes of the switched reluctance motor based on an improved simulation model has been conducted at various values of constant load torque. Dependencies of magnetic inductions over time for each stator tooth element for the studied quasi-steady-state operating modes have been obtained. Magnetic losses have been calculated, taking into account the maxima of the temporal dependencies of root mean square values of magnetic induction in stator tooth elements. The most important outcome is a quantitative assessment of the influence of the non-uniform distribution of magnetic induction on the calculated value of magnetic losses based on the detailing of the stator tooth model in the operational modes of the switched reluctance motor compared to the traditional approach. The significance of the work lies in developing an approach to refining the calculation of magnetic losses by considering local saturation in the magnetic circuit during the operation of the switched reluctance motor.

Scopul acestei lucrări este de a cerceta și de a determina gradul de influență a distribuției inducției magnetice neuniforme (prin detalierea modelului оntrefierului statorului) asupra rezultatelor calculării pierderilor magnetice în dinții statori ai unui motor cu reluctanță comutată (MRC) în moduri cvasi-statice. Pentru a atinge acest obiectiv, a fost realizată o modelare matematică de simulare a modurilor dinamice ale motorului cu reacție pe baza unui model rafinat, ai cărui parametri de intrare includ dependențe bidimensionale (pe lângă dependențele legăturii fluxului de faze și cuplul electromagnetic a motorului) de inducție magnetică în elementele întrefierului statorului pe unghi de rotație și curent, calculată prin metoda elementelor finite. Pierderile magnetice se determină ținând cont de dependențele maxime de timp ale valorilor rădăcină pătratică medie (rpm) ale inducției magnetice în elementele întrefierului statorului MRC, obținute prin analiza modurilor cvasistatice studiate. Cel mai semnificativ rezultat este determinarea unei evaluări cantitative a gradului de influență a distribuției inegale a inducției magnetice asupra valorii calculate a pierderilor magnetice pe baza utilizării detaliului modelului întrefierului statorului în modurile de funcționare ale MRC în comparație cu abordarea tradițională. Un rezultat important al acestei lucrări este dezvoltarea unei abordări de rafinare a calculului pierderilor magnetice la motoarele cu reluctanță comutată, ținând cont de saturațiile locale ale circuitului magnetic.

Целью данной работы является исследование и определение степени влияния учета неравномерности распределения магнитной индукции (путем детализации модели зубца статора) на результаты расчета магнитных потерь в зубцах статора вентильно-реактивного двигателя в квазиустановившихся режимах. Для достижения поставленной цели: определены с помощью метода конечных элементов зависимости потокосцепления фазы, электромагнитного момента двигателя и дополнительно зависимости среднеквадратичных значений магнитных индукций в элементах зубца статора от угла поворота ротора и тока; проведено исследование динамических режимов вентильно-реактивного двигателя на основе уточненной имитационной модели при различных значениях постоянного момента нагрузки; получены для каждого элемента зубца статора зависимости магнитных индукций во времени для исследуемых квазиустановившихся режимов работы. Магнитные потери рассчитаны с учетом максимумов временных зависимостей среднеквадратичных значений магнитной индукции в элементах зубца статора и определены полные потери в зубце вентильно-реактивного двигателя. Анализ исследований выполнен с помощью сравнения относительных расхождений результатов расчета магнитных потерь при использовании детализированной модели и модели сплошного зубца (традиционный подход). Наиболее существенным результатом является количественная оценка степени влияния неравномерности распределения магнитной индукции на расчетную величину магнитных потерь на основе детализации модели зубца статора в рабочих режимах вентильно-реактивного двигателя по сравнению с традиционным подходом. Определен уровень увеличения расчетных значений магнитных потерь (до 80%) благодаря учету локальных насыщений в детализированной модели зубца статора по сравнению с их определением на основе расчетной схемы сплошного зубца. Значимость работы заключается в разработке подхода к уточнению расчета магнитных потерь при неравномерном распределении магнитного потока в магнитопроводе в режимах работы вентильно-реактивного двигателя. Результаты работы могут быть использованы для уточнения расчета потерь и энергетических показателей в методиках проектирования вентильно-реактивных двигателей.