Оптимизация параметров вторичного элемента односторонних линейных асинхронных электродвигателей с использованием генетического алгоритма

Рассмотрено применение генетического алгоритма для проектирования линейных асинхронных электродвигателей, проведено его сравнение с классическими методами. Представлены результаты решения оптимизационной задачи для двух конструкций: лабораторного линейного асинхронного электродвигателя на базе трехфазного индуктора SL-5-100 и тягового одностороннего линейного асинхронного электродвигателя городской транспортной системы. Критерий оптимальности включал максимизацию коэффициентов мощности и полезного действия, а также жесткости механической характеристики при обеспечении пускового тягового усилия не менее заданного значения. Описаны результаты оптимизации таких параметров вторичного элемента, как ширина и толщина проводящей полосы, толщина магнитопровода. Актуальность задачи оптимизации параметров вторичного элемента при неизменных параметрах индуктора обусловлена тем, что один и тот же индуктор может использоваться для построения различных конструкций, при этом вторичный элемент создается под каждое конкретное применение и интегрируется непосредственно в рабочий орган механизма либо является приводимым в движение изделием. Для расчета тяговых и энергетических характеристик линейных асинхронных электродвигателей использовалась электромагнитная модель на основе детализированных схем замещения, учитывающая продольный и поперечный краевые эффекты и обеспечивающая время расчета для одного набора параметров около 1 с. В соответствии с данной моделью электродвигатель сводится к совокупности трех детализированных схем замещения: магнитной цепи, первичной и вторичной электрических цепей. Результатом оптимизации указанных электродвигателей стало повышение коэффициента полезного действия на 1,6 и 1,4 % соответственно, коэффициента мощности – на 0,9 и 0,2 %, увеличение жесткости тяговых характеристик и пускового тягового усилия.

1. Веселовский, О. Н. Линейные асинхронные двигатели / О. Н. Веселовский, А. Ю. Коняев, Ф. Н. Сарапулов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 255 c.

2. Yamamura, S. Theory of Linear Induction Motors / S. Yamamura. New York: Halsted, 1979. 180 p.

3. Gieras, J. F. Linear Induction Drives / J. F. Gieras. London: Oxford Univ. Press, 1994. 320 p.

4. Фыонг Ле, Нго. Расчет механической характеристики тягового электродвигателя электромобиля / Нго Фыонг Ле, Г. И. Гульков // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 1. С. 41–53. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-1-41-53.

5. Abdollahi, S. E. Design and Analysis of a Double-Sided Linear Induction Motor for Transportation / S. E. Abdollahi, M. Mirzayee, M. Mirsa // IEEE Transactions on Magnetics. 2015. Vol. 51, Iss. 7. P. 1–7. https://doi.org/10.1109/tmag.2015.2407856.

6. Копылов, И. П. Проектирование электрических машин: в 2 ч. / И. П. Копылов; 4-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2018. Ч. 1. 490 с.

7. Creppe, R. C. Influence of Design Parameters on Linear Induction Motor End Effect / R. C. Creppe, J. A. C. Ulson, J. F. Rodrigues // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2008. Vol. 23, Iss. 2. P. 358–362. https://doi.org/10.1109/tec.2008.918594.

8. Laporte, B. An Approach to Optimize Winding Design in Linear Induction Motors / B. Laporte, N. Takorabet, G. Vinsard // IEEE Transactions on Magnetics. 1997. Vol. 33, Iss. 2. P. 1844–1847. https://doi.org/10.1109/20.582640.

9. Analysis and Optimal Design of the Slit Type Lowspeed Linear Induction Motors / S.-B. Yoon [et al.] // IEEE International Electric Machines and Drives Conference Record. 1997. P. TB2-8.1–TB2-8.3. https://doi.org/10.1109/iemdc.1997.604225.

10. Pourmoosa, A. A. Design Optimization, Prototyping and Performance Evaluation of a LowSpeed Linear Induction Motor with Toroidal Winding / A. A. Pourmoosa, M. Mirsa // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2015. Vol. 30, Iss 4. P. 1546–1555. https://doi.org/10. 1109/ tec.2015.2457397.

11. Zare-Bazghaleh, A. Optimum Design of Single-Sided Linear Induction Motors for Improved Motor Performance / A. Zare-Bazghaleh, M. R. Naghashan, M. R. Meshkatoddini // IEEE Transactions on Magnetics. 2010. Vol. 46, Iss.11. P. 3939–3947. https://doi.org/10.1109/tmag.2010.2062528.

12. Shiri, A. Design Optimization and Analysis of Singlesided Linear Induction Motor, Considering All Phenomena / A. Shiri, A. Shoulaie // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2012. Vol. 27, Iss. 2. P. 358–362. https://doi.org/10.1109/tec.2012.2190416.

13. Design of HTS Linear Induction Motor Using GA and the Finite Element Method / J. Zhao [et al.] // 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Taichung, 2010. P. 527–531. https://doi.org/10.1109/iciea.2010.5517100.

14. Isfahani, H. Design Optimization of a Low-Speed Single-Sided Linear Induction Motor for Improved Efficiency and Power Factor / H. Isfahani, B. M. Ebrahimi, H. Lesani // IEEE Transactions on Magnetics. 2008. Vol. 44, Iss. 2. P. 266–272. https://doi.org/10.1109/tmag.2007.912646.

15. Choice of a Numerical Differentiation Formula in Detailed Equivalent Circuits Models of Linear Induction Motors / V. Dmitrievskii [et al.] // 2016 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Capri, 22–24 June 2016. Capri, 2016. P. 458–463. https://doi.org/10.1109/speedam.2016.7525888.

16. Математическое моделирование линейного асинхронного двигателя на основе детализированных схем замещения / Ф. Н. Сарапулов [и др.] // Электротехника. 2018. № 4. С. 58–63.

17. Equivalent Circuits for Single-Sided Linear Induction Motors / W. Xu [et al.] // IEEE Transactions on Industry Applications. 2010. Vol. 46, Iss. 6. P. 2410–2423. https://doi.org/10.1109/tia.2010.2073434.

18. Zare-Bazghaleh, A. Derivation of Equivalent Circuit Parameters for Single-Sided Linear Induction Motors / A. Zare-Bazghaleh, M. Naghashan, A. Khodadoost // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. Vol. 43, Iss. 10. P. 3637–3644. https://doi.org/10.1109/tps.2015.2474746.

19. An Improved Equivalent Circuit Model of a Single-Sided Linear Induction Motor / W. Xu [et al.] // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2010. Vol. 59, Iss. 5. P. 2277–2289. https://doi.org/10.1109/tvt.2010.2043862.

20. Amiri, E. A Novel Equivalent Circuit Model of Linear Induction Motors Considering Static and Dynamic End Effects / E. Amiri, E. A. Mendrela // IEEE Transactions on Magnetics. 2014. Vol. 50, Iss. 3. P. 120–128. https://doi.org/10.1109/tmag.2013.2285222.

21. Менжинский, А. Б. Разработка уточненных электромагнитных моделей электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, П. Б. Менжинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 4. С. 291–302. https://doi.org/10.21122/10297448-2021-64-4-291-302.

22. Woronowicz, K. A Novel Linear Induction Motor Equivalent-Circuit with Optimized End Effect Model / K. Woronowicz, A. Safaee // IEEE Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering. 2014. Vol. 37, Iss. 1. P. 34–41. https://doi.org/10.1109/cjece.2014.2311958.

23. Сарапулов, Ф. Н. Развитие математических моделей тепловых процессов в линейных асинхронных двигателях / Ф. Н. Сарапулов, В. В. Гоман // Электротехника. 2009. № 8. С. 17–21.

24. A Review of Design Optimization Methods for Electrical Machines / G. Lei [et al.] // Energies. 2017. Vol. 10, Iss. 12. P. 1962. https://doi.org/10.3390/en10121962.

25. Аветисян, Дж. А. Оптимальное проектирование электрических машин на ЭВМ / Дж. А. Аветисян, В. С. Соколов, В. Х. Хан. М.: Энергия, 1976. 208 c.

26. Nelder, J. A. A Simplex Method for Function Minimization / J. A. Nelder, R. Mead // The Computer Journal. 1965. Vol. 7, Iss. 4. P. 308–313. https://doi.org/10.1093/comjnl/7.4.308.

27. Optimal Design of a High-Speed Single-Phase Flux Reversal Motor for Vacuum Cleaners / V. Dmitrievskii [et al.] // Energies. 2018. Vol. 11, Iss. 12. P. 3334. https://doi.org/10.3390/en11123334.

28. Prakht, V. Optimal Design of Gearless Flux-Switching Generator with Ferrite Permanent Magnets / V. Prakht, V. Dmitrievskii, V. Kazakbaev // Mathematics. 2020. Vol. 8, Iss. 2. P. 206. https://doi.org/10.3390/math8020206.

29. Dmitrievskii, V. Design Optimization of a Permanent-Magnet Flux-Switching Generator for Direct-Drive Wind Turbines / V. Dmitrievskii, V. Prakht, V. Kazakbaev // Energies. 2019. Vol. 12, Iss. 19. P. 3636. https://doi.org/10.3390/en12193636.

30. Рутковская, Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский. М.: Телеком, 2004. 383 c.