Investigation of Electromagnetic Parameters and Electromechanical Characteristics of a DC Machine Based on the Finite Element Method
Loading...
Date
2024
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Видавничий дім «Гельветика»
Abstract
ENG: The verification calculation of the serial machine of direct current (DCM) MUN-2 with a modified excitation system based on the finite element method (FEM), which allows to investigate the characteristics and electromagnetic parameters of DCM taking into account new design solutions in static, quasi-static and dynamic modes of operation. The finite element model of the DCM can be combined with the chain model of the power supply based on the joint solution of the field and circuit equations, which makes it possible to investigate the characteristics of the engine in various modes when the anchor winding supplies signals of any shape. Based on the obtained results, the verification calculation of the DCM MUN-2 with a modified excitation system based on MSE allows the study of the characteristics and electromagnetic parameters of the DCM, considering new constructive solutions in dynamic modes of operation. The resulting DCM field model can be combined with the power source circuit model based on the joint solution of the field and circuit equations, which makes it possible to study the characteristics of the motor in different modes when feeding the armature winding with signals of any shape. The work established that the motor reaches the maximum rotation speed after 300 ms at a voltage of 120 V on the armature winding. At the same time, there is a surge in the starting current of the armature up to 2.0 A with subsequent stabilization at the level of 0.08 A. The starting torque reaches 1.2 Nm. The MUN-2 reaches the nominal rotation frequency at the nominal load, accompanied by an increase in the armature winding current to 0.7 A. During the operation of the motor, an electromotive force is induced in the armature winding, which, when the motor reaches the nominal rotation speed, stabilizes at the level of 20 V and has a peak character. Maxwell’s system of electromagnetic fields and analytical and mathematical methods for partial differential equations are used to solve the problems. The finite element method is used to solve the differential equations of the magnetic field.
UKR: Проведено перевірочний розрахунок серійної машини постійного струму (МПС) МУН-2 з модифікованою системою збудження на основі методу скінченних елементів, що дозволяє досліджувати характеристики та електромагнітні параметри МПС з урахуванням нових конструктивних рішень у статиці, квазістатичний і динамічний режими роботи. Скінченно-елементну модель можна поєднати з ланцюговою моделлю джерела живлення на основі спільного розв’язку рівнянь поля та схеми, що дає змогу досліджувати характеристики двигуна в різних режимах, коли обмотка якоря подає сигнали будь-якої форми. На підставі отриманих результатів перевірочний розрахунок ДКМ МУН-2 з модифікованою системою збудження на основі МСЭ дозволяє досліджувати характеристики та електромагнітні параметри ДКМ, враховуючи нові конструктивні рішення в динамічних режимах роботи. Отриману модель поля DCM можна комбінувати з моделлю схеми джерела живлення на основі спільного розв’язку рівнянь поля та схеми, що дає можливість досліджувати характеристики двигуна в різних режимах за живлення обмотки якоря сигналами будь-якої форми. У роботі встановлено, що двигун досягає максимальної швидкості обертання через 300 мс за напруги 120В на обмотці якоря. При цьому спостерігається сплеск пускового струму якоря до 2,0А з подальшою стабілізацією на рівні 0,08А. Пусковий момент сягає 1,2Нм. МУН-2 досягає номінальної частоти обертання за номінального навантаження, що супроводжується збільшенням струму обмотки якоря до 0,7А. Під час роботи двигуна в обмотці якоря виникає електрорушійна сила, яка в разі досягнення двигуном номінальної швидкості обертання стабілізується на рівні 20В і має піковий характер. Для розв’язування задач використано систему електромагнітних полів Максвелла та аналітичні й математичні методи рівнянь у частинних похідних. Для розв’язування диференціальних рівнянь магнітного поля використовується метод скінченних елементів.
UKR: Проведено перевірочний розрахунок серійної машини постійного струму (МПС) МУН-2 з модифікованою системою збудження на основі методу скінченних елементів, що дозволяє досліджувати характеристики та електромагнітні параметри МПС з урахуванням нових конструктивних рішень у статиці, квазістатичний і динамічний режими роботи. Скінченно-елементну модель можна поєднати з ланцюговою моделлю джерела живлення на основі спільного розв’язку рівнянь поля та схеми, що дає змогу досліджувати характеристики двигуна в різних режимах, коли обмотка якоря подає сигнали будь-якої форми. На підставі отриманих результатів перевірочний розрахунок ДКМ МУН-2 з модифікованою системою збудження на основі МСЭ дозволяє досліджувати характеристики та електромагнітні параметри ДКМ, враховуючи нові конструктивні рішення в динамічних режимах роботи. Отриману модель поля DCM можна комбінувати з моделлю схеми джерела живлення на основі спільного розв’язку рівнянь поля та схеми, що дає можливість досліджувати характеристики двигуна в різних режимах за живлення обмотки якоря сигналами будь-якої форми. У роботі встановлено, що двигун досягає максимальної швидкості обертання через 300 мс за напруги 120В на обмотці якоря. При цьому спостерігається сплеск пускового струму якоря до 2,0А з подальшою стабілізацією на рівні 0,08А. Пусковий момент сягає 1,2Нм. МУН-2 досягає номінальної частоти обертання за номінального навантаження, що супроводжується збільшенням струму обмотки якоря до 0,7А. Під час роботи двигуна в обмотці якоря виникає електрорушійна сила, яка в разі досягнення двигуном номінальної швидкості обертання стабілізується на рівні 20В і має піковий характер. Для розв’язування задач використано систему електромагнітних полів Максвелла та аналітичні й математичні методи рівнянь у частинних похідних. Для розв’язування диференціальних рівнянь магнітного поля використовується метод скінченних елементів.
Description
O. Kachura: ORCID 000-0002-6338-0974; A. Nikolenko: ORCID 0000-0003-3808-4249; V. Kovalenko: ORCID 0000-0001-5950-4412; V. Kuznetsov: ORCID 0000-0002-8169-4598; A. Syanov: ORCID 0000-0003-4120-4926; D. Tsyplenkov: ORCID 0000-0002-0378-5400; S. Kolychev: ORCID 0000-0002-1017-5125; Ye. Gurin: ORCID 0009-0006-1346-5191
Keywords
finite element method, DC machine, magnetic induction, magnetic potential vector, electromechanical characteristics, метод скінченних елементів, машина постійного струму, магнітна індукція, вектор магнітного потенціалу, електромеханічні характеристики, КЕЛІ
Citation
Kachura O., Nikolenko A., Kovalenko V., Kuznetsov V., Syanov A., Tsyplenkov D., Kolychev S., Gurin Ye. Investigation of Electromagnetic Parameters and Electromechanical Characteristics of a DC Machine Based on the Finite Element Method. Elektrotehnìčnì ta ìnformacìjnì sistemi. 2024. No. 106. P. 52–58. DOI: https://doi.org/10.32782/EIS/2024-106-9.