У сучасному екологічному контексті актуальною стає необхідність оптимізувати технологічні процеси з важкими температурними навантаженнями, забезпечуючи високу надійність і об’єднуючи обертові частини електричних машин з виконавчими механізмами, з метою досягнення більшої ефективності електромеханічних перетворювачів. Метою дослідження було теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження ефекту появи вищих гармонік в повітряному зазорі при нелінійній зміні температури середовища. Дослідження ґрунтуються на основних положеннях електродинаміки, тепломасообміну, математичного моделювання методом скінченних елементів і експериментальній перевірці мультифізичних параметрів. На основі аналізу диференціального рівняння для визначення приросту температури поверхні феромагнітного ротора в умовах нелінійної зміни температури середовища, що оточує електромеханічний перетворювач, встановлені закономірності формування вільної і вимушеної складової миттєвих значень температури массивного ротора. В залежності від режиму взаємодії навантажувально-охолоджуючого середовища і електромеханічної частини шнекових агрегатів сформовані кінематичні схеми одномасової та двомасових систем зі змінними або постійними моментами інерції та жорсткістю. Згідно розмірів електромагнітної системи експериментального зразка побудована математична модель для досліджень теплових і електромагнітних процесів. Визначено закономірності просторового розподілу температури шнекового електромеханічного агрегата. Експериментально встановлені спектри вищих гармонік напруги та струму в діапазоні частот від 0 до 50 кГц, що підтверджує наявність ефекту генерування вищих гармонік при зміні температури середовища, що оточує ротор-шнек. Виявлений спектр гармонік впливає як на формування динаміки обертової системи, так і додаткової теплової потужності, підвищуючи при цьому загальний коефіцієнт корисної дії шнекового електротепломеханічного перетворювача. Практична цінність отриманих результатів полягає в можливості прогнозування оптимальних показників взаємопов’язаних електромагнітних і теплообмінних процесів в шнекових електромеханічних перетворювачах технологічного призначення
спектр вищих гармонік, феромагнітний порожнистий ротор, біомаса, температурне поле, електромагнітне поле, конструктивно-технологічна схема
[1] Bjelić, S., Marković, N., & Jakšić, U. (2011). The simplified procedure for calculation of the influence of thermal losses on decrease of technical endurance of electric equipment. In Conference on Industrial Energy and Environmental Protection IEEP’11 (p. 28). Belgrade, Serbia.
[2] Boehm, A., & Hahn, I. (2014) Measurement of magnetic properties of steel at high temperatures. In 40th annual conference of the IEEE industrial electronics society (pp. 715-721). doi: 10.1109/IECON.2014.7048579.
[3] Campuzano, F., Brown, C.R., & Martínez, J.D. (2019). Auger reactors for pyrolysis of biomass and wastes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 102, 372-409. doi: 10.1016/j.rser.2018.12.014.
[4] Elmadah, H., Roger, D., & Takorabet, N. (2019). Design of inorganic coils for high temperature electrical machines. Open Physics, 17(1), 698-708. doi.org/10.1515/phys-2019-0072.
[5] Feng, C., Li, Z., Wang, Z., Wang, B., & Wang, Z. (2019). Optimizing torque rheometry parameters for assessing the rheological characteristics and extrusion processability of wood plastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 32(1):123-140. doi: 10.11770892705717744828.
[6] Funke, A., Grandl, R., Ernst, M., & Dahmen, N. (2018). Modelling and improvement of heat transfer coefficient in auger type reactors for fast pyrolysis application. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 130, 67-75. doi: 10.1016/j.cep.2018.05.023.
[7] 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. doi: 10.31548/machenergy.13(2).2022.41-49.
[8] Hey, J., Tan, J.L., & Tan, Z.H. (2022). An evaluation of thermomagnetic motors for heat energy harvesting. In 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (pp. 1347-1354). Sapporo, Japan. doi: 10.1109/AIM52237.2022.9863263.
[9] Juszczak, E.N., Roger, D., Komeza, K., Lefik, M., & Napieralski, P. (2020). Architecture choices for high-temperature synchronous machines. Open Physics, 18(1), 683-700. doi: 10.1515/phys-2020-0154.
[10] Laidoudi, A., Duchesne, S., Morganti, F., & Velu, G. (2020). High-power density induction machines with increased windings temperature. Open Physics, 18(1), 642-651. doi: 10.1515/phys-2020-0131.
[11] Lefik, M., Komeza, K., Napieralska-Juszczak, E., Roger, D., & Napieralski, P.A. (2019). Comparison of the reluctance laminated and solid rotor synchronous machine operating at high temperatures. COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, 38(4), 1111-1119. doi: 10.1108/COMPEL-10-2018-0405.
[12] Lehmann, R., Künzler, M., Moullion, M., & Gauterin, F. (2022). Comparison of commonly used cooling concepts for electrical machines in automotive applications. Machines, 10(6), article number 442. doi: 10.3390/machines10060442.
[13] Marković, N., Bjelić, S., Živanić, J., & Jakšić, U. (2017). Simulation of the impact of higher harmonics on the transient process of induction machine fed from PWM inverters. Tehnički Vjesnik, 24(1), 265-271. doi: 10.17559/TV-20150502231618.
[14] Mazlan, M.M., Talib, R.A., Mail, N.F., Taip, F.S., Chin, N.L., Sulaiman, R., Shukri, R., & Mohd Nor, M.Z. (2019). Effects of extrusion variables on corn-mango peel extrudates properties, torque and moisture loss. International Journal of Food Properties, 22, 54-70. doi: 10.1080/10942912.2019.1568458.
[15] Muñoz Tabora, J., de Lima Tostes, M.E., Ortiz de Matos, E., Mota Soares, T., & Bezerra, U.H. (2020). Voltage harmonic impacts on electric motors: A comparison between IE2, IE3 and IE4 induction motor classes. Energies, 13(13), article number 3333. doi: 10.3390/en13133333.
[16] Mushtruk, M., Gudzenko, M., Palamarchuk, I., Vasyliv, V., Slobodyanyuk, N., Kuts, A., Nychyk, O., Salavor, O., & Bober, A. (2020). Mathematical modeling of the oil extrusion process with pre-grinding of raw materials in a twin-screw extruder. Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 14, 937-944. doi: 10.5219/1436.
[17] Patent of Ukraine No. 125774 (2022, June). Retrieved from https://sis.ukrpatent.org/uk/search/detail/1690697/.
[18] Qi, F., & Wright, M.M. (2020). A DEM modeling of biomass fast pyrolysis in a double auger reactor. International Journal of Heat and Mass Transfer, 150(2), article number 119308. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119308.
[19] Singha, P., & Muthukumarappan, K. (2016). Effects of processing conditions on the system parameters during single screw extrusion of blend containing apple pomace. Journal of Food Process Engineering, 40(4), article number e12513. doi: 10.1111/jfpe.12513.
[20] Solomon, D. (1988). Improving the performance of a thermomagnetic generator by cycling the magnetic field. Journal of Applied Physics, 63(3), 915-921. doi: 10.1063/1.340033.
[21] Subramanian, R.S. (2014). Conduction in the cylindrical geometry. Retrieved from https://web2.clarkson.edu/projects/subramanian/ch330/notes/Conduction%20in%20the%20Cylindrical%20Geometry.pdf.
[22] Tovar-Barranco, A., López-de-Heredia, A., Villar, I., & Briz, F. (2020). Modeling of end-space convection heat-transfer for internal and external rotor PMSMs with fractional-slot concentrated windings. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68(3), 1928-1937. doi: 10.1109/TIE.2020.2972471.
[23] Vukotić, M., Lutovski, S., Šutar, N., Miljavec, D., & Čorović, S. (2023). Thermal effects in the end-winding region of electrical machines. Energies, 16(2), article number 930. doi: 10.3390/en16020930
[24] Xiao, L., Yu, G., Zou, J., Xu, Y., & Liang, W. (2019). Experimental analysis of magnetic properties of electrical steel sheets under temperature and pressure coupling environment. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 475, 282-289 doi: 10.1016/j.jmmm.2018.11.107.
[25] Yao, A., Odawara, S., & Fujisaki, K. (2018). Iron loss and hysteretic properties under PWM inverter excitation at high ambient temperatures. IEEJ Journal of Industry Applications, 7(4), 298-304. doi: 10.1541/ieejjia.7.298.
[26] Zablodskiy, M., Zhyltsov, A., Nalyvaiko, V., Trokhaniak, V., Pugalendhi, S., & Subramanian, P. (2020). Biomass pyrolysis using a multifunctional electromechanical converter and a magnetic field. Scientia Agriculturae Bohemica, 51(2), 65-73. doi: 10.2478/sab-2020-0009.
[27] Zablodskiy, M.M., Kovalchuk, S.I., Pliuhin, V.E., & Tietieriev, V.O. (2022). Indirect field-oriented control of twin-screw electromechanical hydrolyzer. Electrical Engineering & Electromechanics, 1, 3-11. doi: 10.20998/2074-272X.2022.1.01.
[28] Zhang, S.B., Zheng, X.W., Feng, L.J., Wang, Y.F., & Liu, Z.F. (2016). The design and experimental research of cooling structure in deep well submersible motor. Journal of Discrete Mathematical Sciences and Cryptography, 19(3), 837-848. doi: 10.1080/09720529.2016.1197571.
[29] Zou, J., Qi, W., Xu, Y., Xu, F., Li, Y., & Li, J. (2012). Design of deep sea oil-filled brushless DC motors considering the high pressure effect. IEEE Transactions on Magnetics, 48(11), 4220-4223. doi: 10.1109/TMAG.2012.2204731.