Техніка та енергетика

ОЦІНКА ВИХРОВИХ СТРУМІВ І ВТРАТ ПОТУЖНОСТІ У РОТОРІ ШНЕКОВОГО ЕЛЕКТРОТЕПЛОМЕХАНІЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ДЛЯ АДИТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА

Володимир Грицюк, Ігор Шакирович Невлюдов, Микола Заблодський, Періасамі Субраманіан
Завантажити статтю
Анотація

Технології 3D-друку великомасштабних структур дозволяють архітекторам і будівельникам значно розширити межі проектування конструкцій та підвищити ефективність їх будівництва. Мобільні робототехнічні платформи для 3D-друку все частіше впроваджуються в будівельній сфері, а також при виробництві дорожніх покриттів, дозволяючи вирішити проблему обмеженого робочого простору. Типова конструкція вузла екструдера робототехнічної платформи для 3D-друку великомасштабних структур може бути вдосконалена шляхом об’єднання електродвигуна, шнекового екструдера та нагрівача в одному корпусі. Пропонований шнековий електротепломеханічний перетворювач використовує зовнішній ротор-шнек, який одночасно виконує функції ротора асинхронного двигуна, нагрівального елемента, виконавчого механізму і захисного корпусу. Метою статті є оцінка ефективності використання шнекового перетворювача у складі мобільної робототехнічної платформи для адитивного виробництва. Для перетворювачів, які функціонують в складних умовах, актуальним є застосування польових методів розрахунку. В роботі проведено польовий розрахунок методом кінцевих елементів та визначено просторовий розподіл вихрових струмів на ділянці порожнистого феромагнітного ротора. Із використанням програмно-обчислювального комплексу Comsol Multiphysics отримано картини тривимірного розподілу z-складової, нормальної складової густини вихрових струмів, а також розподілу густини дисипованої потужності, що враховує всі види втрат в роторі. Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості прогнозування оптимальних показників впливу теплового режиму на матеріал, а також швидкості обертання ротора перетворювача. Це в свою чергу, буде визначати механічні властивості матеріалу на виході пристрою.

Ключові слова

3D-друк, мобільна робототехнічна платформа, чисельний розрахунок, зовнішній шнековий ротор, вузол екструдера, густина потужності

ЦИТУВАТИ
Gritsyuk, V., Nevliudov, I., Zablodskiy, M., & Subramanian, P. (2022). Estimation of eddy currents and power losses in the rotor of a screw electrothermomechanical converter for additive manufacturing. Machinery & Energetics, 13(2), 41-49. https://doi.org/10.31548/machenergy.13(2).2022.41-49
Використані джерела

[1] Katz-Demyanetz, A., Popov, V.V.Jr, Kovalevsky, A., Safranchik, D., & Koptyug, A. (2019). Powder-bed additive manufacturing for aerospace application: Techniques, metallic and metal/ceramic composite materials and trends. Manufacturing Revew, 6, article number 5.

[2] Yuk, H., Lu, B., Qu, K., Xu, J., Zhao, X., Lin, S., & Luo, J. (2020). 3D printing of conducting polymers. Nature Communications, 11, article number 1604. doi: 10.1038/s41467-020-15316-7.

[3] Birbara, N.S., Otton, J.M., & Pather, N. (2017). 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung Circulation, 28(2), 302-313. doi: 10.1016/j.hlc.2017.10.017.

[4] Jankovics, D. (2019).Customization of automotive structural components using additive manufacturing and topology optimization. IFAC-PapersOnLine, 52(10), 212-217. doi: 10.1016/j.ifacol.2019.10.066.

[5] Kolomiets, A., Grobman, Y.J., Popov, Jr.V.V., Strokin, E., Senchikhin, G., & Tarazi, E. (2020). The titanium 3D printed flute: New prospects of additive manufacturing for musical wind instruments design. Journal of New Music Research, 50(1), 1-17. doi: 10.1080/09298215.2020.1824240.

[6] Wohlers, T.T., Campbell, I., Diegel, O., Huff, R., & Kowen, J. (2021). Wohlers report 2020: 3D printing and additive manufacturing state of the industry. Fort Collins: Wohlers Associates.

[7] Sauter, A., Nasirov, A., Fidan, I., Allen, M., Elliott, A., Cossette, M., & Singer, T. (2021). Development, implementation and optimization of a mobile 3D printing platform. Progress in Additive Manufacturing, 6(2), 231-241. doi: 10.1007/s40964-020-00154-2.

[8] Keating, S, Spielberg, N.A., Klein, J, & Oxman, N. (2014). A compound arm approach. In Robotic Fabrication in Architecture (pp. 99-110). Dordrecht: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-04663-1_7.

[9] Efe Tiryaki, M., Zhang, X., & Pham, Q.C. (2018). Printing-while-moving: A new paradigm for large-scale robotic 3D Printing. IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems, 4, 2286-2291. doi: 10.1109/IROS40897.2019.8967524.

[10] Hall, N. (2016). IAAC Minibuilders small robots with big ambitions. 3D Print Ind, WA. Retrieved from https://3dprintingindustry.com/news/iaac-minibuilders-small-robots-big-ambitions-83257/.

[11] Jackson, R.J., Wojcik, A., & Miodownik, M. (2018). 3D printing of asphalt and its effect on mechanical properties. Materials & Design, 160, 468-474. doi: 10.1016/j.matdes.2018.09.030.

[12] Johansson, A. (2016). 3D printing robot may be the solution to potholes, PSFK. Retrieved from https://www.psfk.com/ print-post?format=pdf&id=322046.

[13] Dobzhanskyi, O., Amiri, E., & Gouws, R. (2016). Comparison analysis of electric motors with two degrees of mechanical freedom: PM synchronous motor vs induction motor. In II International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (pp. 14-17). Kharkiv: Kharkiv National Agrarian University named after V.V. Dokuchaiev. doi: 10.1109/YSF.2016.7753750.

[14] Alwash, J.H., & Qaseer L.J. (2010). Three-dimension finite element analysis of a helical motion induction motor. ACES, 25(8), 703-712.

[15] Bolognesi, P. (2010). A novel rotary-linear permanent magnets synchronous machine using common active parts. In 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference (pp. 1179-1183). Valletta: The University of Malta. doi: 10.1109/MELCON.2010.5476370.

[16] Bentia, I., & Szabo, L. (2010). Rotary-linear machines – A survey. Journal of Computer Science and Control Systems, 3, 11-14.

[17] Zhao, J., Liu, X., Xin, Z. & Han, Y. (2009). Research on the energy-saving technology of concrete mixer trucks. In 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (pp. 3551-3554). Xi’an: Xi’an University of Science and Technology. doi: 10.33271/mining13.04.099.

[18] Szczygieł, M., & Kluszczyński, K. (2016). Rotary-linear induction motor based on the standard 3-phase squirrel cage induction motor – constructional and technological features. Czasopismo Techniczne. Elektrotechnika, 1, 395-406. doi: 10.4467/2353737XCT.15.059.3859.

[19] Bolognesi, P., Bruno, O., Landi, A., Sani, L., & Taponecco L. (2004). Electromagnetic actuators featuring multiple degrees of freedom: A survey. In 16th International Conference on Electrical Machines – ICEM 2004 (pp. 1-6). Cracow: Cracow University of Technology.

[20] Dobzhanskyi, O., & Gouws, R. (2017). 3-D Finite element method analysis of twin-armature permanent magnet motor with two degrees of mechanical freedom. Springer Electrical Engineering, 99(3), 997-1004. doi: 10.1007/s00202-016-0454-6.

[21] Zablodskiy, M., Zhiltsov, A., Kondratenko, I., & Gritsyuk, V. (2017). Conception of efficiency of heat electromechanical complex as hybrid system. Electrical and Computer Engineering (UKRCON). In 2017 IEEE First Ukraine Conference (pp. 399-404). Kyiv: Taras Shevchenko National University of Kyiv. doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100519.

[22] Zablodskiy, N., Pliugin, V., & Gritsyuk, V. (2014). Submersible electromechanical transformers for energy efficient technologies of oil extraction. Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining, 9, 223-227.

[23] Zablodskii, N.N., Plyugin, V.E., Gritsyuk, V.Y., & Grin, G.M. (2016). Polyfunctional electromechanical energy transformers for technological purposes. Russian Electrical Engineering, 87, 140-144. doi: 10.3103/S1068371216030123.

[24] Zablodskiy, M., Gritsyuk, V., Rudnev, Y., & Brozhko, R. (2019). Three-dimensional electromagnetic field model of an auger electromechanical converter with an external solid rotor. Mining of Mineral Deposits, 13(4), 99-106. doi: 10.33271/mining13.04.099.

[25] Zablodskiy, M., Gritsyuk, V., Rudnev, Y., Brozhko, R., & Tymofieieva, O. (2020). Analysis of 3D eddy current distribution in a hollow rotor of an electromechanical converter. In IEEE 40th International Conference on Electronics and Nanotechnology (pp. 561-564). Kyiv: Taras Shevchenko National University of Kyiv. doi: 10.1109/ELNANO50318.2020.9088777.

[26] Amiri, E. (2014). Circuit modeling of double-armature rotary-linear induction motor. In IECON 2014-40th annual conference of the IEEE industrial electronics society (pp. 431-436). Dallas: Dallas Theological Seminary. doi: 10.1109/IECON.2014.7048536.

[27] Mendrela, E.A., & Turowski, J. (1978). Rotary-linear induction motor. In IEEE winter power meeting (article number A78091-1). New York: Columbia University.

[28] Fleszar, J., & Mendrela, E.A. (1983). Twin-armature rotarylinear induction motor. IEE Proceedings B (Electric Power Applications), 130(3), 186-192. doi:  10.1049/ip-b.1983.0027.

[29] Mendrela, E.A., & Geirczak, E. (1987). Double-winding rotary-linear induction motors. IEEE Transactions on Energy Conversion, EC–2(1), 48-54. doi: 10.1109/TEC.1987.4765803.

[30] Cathey, J.J. (1985). Helical motion induction motor. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 132(2), 112-114.

[31] Rabiee, M., & Cathey, J.J. (1988). Verification of a field theory analysis applied to a helical motion induction motors. IEEE Transactions on Magnetics, 24(4), 127-138. doi: 10.1109/20.3415.

[32] Alwash, J.H., & Qaseer, L.J. (2010). Three-dimension finite element analysis of a helical motion induction motor. Applied Computational Electromagnetics Society Journal, 25(8), 703-712.

[33] Łukaniszyn, M., Kowol M., & Kołodziej, J. (2010). Performance analysis of a two-module reluctance motor with an axial flux. Computer Applications in Electrical Engineering, 8, 72-80.