Том 337 № 4 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/4/5153
Моделирование тепловых режимов асинхронного двигателя с фазным ротором для электроприводов горнодобывающих комплексов в COMSOL Multiphysics
Актуальность. В условиях эксплуатации электрических машин в горнодобывающей промышленности существенно возрастают требования к надёжности и термической устойчивости электроприводов. Асинхронные двигатели с фазным ротором, применяемые в электроприводах двойного питания, широко используются для добычи, транспортировки и переработки минерального сырья. Однако высокая тепловая нагрузка, особенно на роторную обмотку, при внешней температуре до 40 °C и выше требует тщательного теплового анализа и оценки ресурса изоляции. Цель. Построение двухмерной тепловой модели двигателя 4АК160М4У3 в среде COMSOL Multiphysics 6.0 с целью определения температурного распределения и анализа теплового резерва в номинальном режиме работы (продолжительный режим S1) при различных температурах внешней среды. Получение базовой модели для анализа теплового состояния двигателя при реализации энергоэффективных законов регулирования электропривода. Методы. Расчёт электромагнитных потерь выполнен в модуле Rotating Machinery, Magnetic с использованием модели Бертотти для стали M530-50A. Результаты переданы в модуль Heat Transfer in Solids через мультифизическую связь. Учтены реальные свойства материалов, тепловые контакты между элементами, тонкий слой изоляции Kapton H, а также конвективное охлаждение корпуса со скоростью потока 12 м/с. Результаты. При температуре окружающей среды 25 °C максимальная температура в обмотке ротора составила 118,5 °C, а при 40 °C достигла 137,9 °C. Температура статора и корпуса осталась в диапазоне 83–105 °C. Установлено, что при повышенных температурах окружающей среды двигатель работает близко к пределу изоляции класса F, что обосновывает необходимость применения изоляции класса H и модернизации системы охлаждения для эксплуатации в тяжёлых горнорудных условиях.
Для цитирования: Тутаев Г.М., Безбородов Е.С. Моделирование тепловых режимов асинхронного двигателя с фазным ротором для электроприводов горнодобывающих комплексов в COMSOL Multiphysics. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 4, С. 17-25.
Ключевые слова:
асинхронный двигатель с фазным ротором, двигатель двойного питания, класс изоляции, перегрев, охлаждение, тепловая модель, COMSOL Multiphysics
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Comparative study of induction and wound rotor synchronous motors for the traction drive of a mining dump truck operating in wide constant power speed range. V. Dmitrievskii, V. Prakht, E. Valeev, A. Paramonov, V. Kazakbaev and A. Anuchin. IEEE Access, 2023, Vol. 11, P. 68395–68409. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3292244.
2. Operation modes of frequency converter in the rotor circuit of induction motor drive of a mine hoist. V. Ostrovlyanchik, I. Popolzin, V. Kubarev, D. Marshev, Q. Qu. E3S Web Conferences, 2021, Vol. 330. DOI: 10.1051/e3sconf/202133003009.
3. Тутаев Г.М. Асинхронизированный вентильный двигатель как многоканальный объект управления. Электричество, 2013, № 10, С. 48–51.
4. Сонин Ю.П., Гуляев И.В. Асинхронизированный вентильный двигатель. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. 68 с.
5. Modeling of induction motor drive of a mine hoist on the basis of a doubly-fed electric machine. V. Ostrovlyanchik, I. Popolzin, V. Kubarev, D. Marshev, D. Qi. E3S Web Conferences, 2021, Vol. 330. DOI: 10.1051/e3sconf/202133003008.
6. Conjugate heat transfer model for an induction motor and its adequate FEM model. M. Gebauer, T. Blejchař, T. Brzobohatý, M. Nevřela. Symmetry, 2023, Vol. 15, P. 1294. DOI: 10.3390/sym15071294.
7. Тутаев Г.М., Безбородов Е.С. Теория принятия решений в задачах энергоэффективного управления электроприводом с двигателем двойного питания. Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», 2024, Т. 24, № 1, С. 51–58. DOI: 10.14529/power240106.
8. Безбородов Е.С. Разработка математической модели асинхронного двигателя с фазным ротором в COMSOL Multiphysics® для оценки энергетических параметров в стационарном режиме. Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», 2024, Т. 24, № 4, С. 30–36. DOI: 10.14529/power240404.
9. Optimisation and loss analyses of pulsed field magnetisation in a superconducting motor with cryocooled iron cores. Q. Wang, L. Hao, H. Zhang, H. Wei, G. Sun, Z. Huang, Y. Wu, J. Hu, T. Coombs. Supercond. Sci. Technol., 2025, Vol. 38, № 3, P. 035013. DOI: 10.1088/1361-6668/ada830
10. Wen J., Zheng J. Numerical analysis of the external wind path for medium-size high-voltage asynchronous motors. Applied Thermal Engineering, 2015, Vol. 90, P. 869–878. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.07.065.
11. Effect of forced convection cooling on overload performance of permanent magnet synchronous motor for industrial robot. F. Yang, Y. Sun, J. Yang, S. Zhang, H. Liu, Y. Tang. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2025, Vol. 161, P. 108527. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108527.
12. Selecting cooling methods for electric motors. X. Li, X. Zhao, Z. Zhang, A. Avelin, S. Liu, H. Li. Applied Thermal Engineering, 2025, Vol. 274, P. 126554. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.126554.
13. Wyczółkowski R., Bagdasaryan V., Strycharska D. Experimental and theoretical studies of the thermal contact conductance for bundles of round steel bars. Materials, 2023, Vol. 16, P. 6925. DOI: 10.3390/ma16216925.
14. Thermal contact resistance and heat transfer enhancement mechanisms at non-smooth contact interfaces. Y. Wang, X. Sun, H. Kang, X. Ma, T. Zhang. Journal of Thermal Science, 2025, Vol. 34, P. 465–497. DOI: 10.1007/s11630-025-2086-5.
15. Impact of different end region cooling arrangements on endwinding heat transfer coefficients in electric motors. A. Boglietti, A. Cavagnino, D. A. Staton, M. Popescu. 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics. Portugal: Porto. 2009. P. 1168–1173. DOI: 10.1109/IECON.2009.5414657.
16. Thermal analysis and cooling strategies of high-efficiency three-phase squirrel-cage induction motors – a review. Y.R. Konda, V.K. Ponnaganti, P.V.S. Reddy, R.R. Singh, P. Mercorelli, E. Gundabattini, D.G. Solomon. Computation, 2024, Vol. 12, P. 6. DOI: 10.3390/computation12010006.
17. 3D CHT simulation of oil-cooled electric motors: a comparative study of standard and paperless designs. J. Varghese, J, Schlautman, Y. Chen, S. Bhunia, C. Srinivasan. SAE Technical, 2025, P. 8181. DOI: 10.4271/2025-01-8181.
18. Investigation of heat stress and thermal response in deep hot-humid underground environments: A field and experimental study. X. Wang, Y. Wang, X. Lai, G. Wang, C. Sang. Building and Environment, 2025, Vol. 270, P. 112506. DOI: 10.1016/j.buildenv.2024.112506.
19. Thermal management analyses of induction motor through the combination of air-cooling and an integrated water-cooling. S. Madhavan, R. Devdatta P B, Y. R. Konda, E. Gundabattini, A. Mystkowski, R. Palka, M. Wardach, P. Prajzendanc. Sci Per., 2023, Vol. 13, P. 10125. DOI: 10.1038/s41598-023-36989-2.
20. Thermal mapping and heat transfer analysis of an induction motor of an electric vehicle using nanofluids as a cooling medium. G.K. Pandey, S.S. Sikha, A. Thakur, S.S. Yarlagadda, S.S. Thatikonda, B. Baiju suja, A. Mystkowski, E. Dragašius, E Gundabattini. Sustainability, 2023, Vol. 15, P. 8124. DOI: 10.3390/su15108124.
21. Thermal finite-element model of electric machine cooled by spray. C. Bergfried, S. Abdi Qezeljeh, I.V. Roisman, H. De Gersem, J. Hussong, Y. Späck-Leigsnering. Energies, 2025, Vol. 18, P. 84. DOI: 10.3390/en18010084.
REFERENCES
1. Dmitrievskii V., Prakht V., Valeev E., Paramonov A., Kazakbaev V., Anuchin A. comparative study of induction and wound rotor synchronous motors for the traction drive of a mining dump truck operating in wide constant power speed range. IEEE Access, 2023, vol. 11, pp. 68395–68409. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3292244.
2. Ostrovlyanchik V., Popolzin I., Kubarev V., Marshev D., Qu Q. Operation modes of frequency converter in the rotor circuit of induction motor drive of a mine hoist. E3S Web Conferences, 2021, vol. 330. DOI: 10.1051/e3sconf/202133003009.
3. Tutaev G.M. Double inverter-fed induction motor like multifreedom control object. Elektrichestvo, 2013, vol. 10, pp. 48–51. (In Russ.)
4. Sonin Yu.P., Gulyaev I.V. Double inverter-fed induction motor. Saransk, Ogarev Mordovia State University Publ., 1998. 68 p. (In Russ.)
5. Ostrovlyanchik V., Popolzin I., Kubarev V., Marshev D., Qi D. Modeling of induction motor drive of a mine hoist on the basis of a doubly-fed electric machine. E3S Web Conferences, 2021, vol. 330. DOI: 10.1051/e3sconf/202133003008.
6. Gebauer M., Blejchař T., Brzobohatý T., Nevřela M. Conjugate heat transfer model for an induction motor and its adequate FEM model. Symmetry, 2023, vol. 15, pp. 1294. DOI: 10.3390/sym15071294.
7. Tutaev G.M., Bezborodov E.S. The theory of decision-making in problems of energy-efficient electric drive control with a double inverter-fed induction motor. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2024, vol. 24 (1), pp. 51–58. (In Russ.) DOI: 10.14529/power240106
8. Bezborodov E.S. Development of a mathematical model of a wound rotor induction machine in COMSOL Multiphysics® to assess energy parameters in static mode. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2024, vol. 24 (4), pp. 30–36. (In Russ.) DOI: 10.14529/power240404.
9. Wang Q., Hao L., Zhang H., Wei H., Sun G., Huang Z., Wu Y., Hu J., Coombs T. Optimisation and loss analyses of pulsed field magnetisation in a superconducting motor with cryocooled iron cores. Supercond. Sci. Technol., 2025, vol. 38, no. 3, pp. 035013. DOI: 10.1088/1361-6668/ada830
10. Wen J., Zheng J. Numerical analysis of the external wind path for medium-size high-voltage asynchronous motors. Applied Thermal Engineering, 2015, vol. 90, pp. 869–878. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.07.065.
11. Yang F., Sun Y., Yang J., Zhang S., Liu H., Tang Y. Effect of forced convection cooling on overload performance of permanent magnet synchronous motor for industrial robot. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2025, vol. 161, pp. 108527. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.108527.
12. Li X., Zhao X., Zhang Z., Avelin A., Liu S., Li H. Selecting cooling methods for electric motors. Applied Thermal Engineering, 2025, vol. 274, pp. 126554. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.126554.
13. Wyczółkowski, R., Bagdasaryan, V., Strycharska, D. Experimental and theoretical studies of the thermal contact conductance for bundles of round steel bars. Materials, 2023, vol. 16, pp. 6925. DOI: 10.3390/ma16216925.
14. Wang Y., Sun X., Kang H., Ma X., Zhang T. Thermal contact resistance and heat transfer enhancement mechanisms at non-smooth contact interfaces. Journal of Thermal Science, 2025, vol. 34, pp. 465–497. DOI: 10.1007/s11630-025-2086-5.
15. Boglietti A., Cavagnino A., Staton D.A., Popescu M. Impact of different end region cooling arrangements on endwinding heat transfer coefficients in electric motors. 2009 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics. Portugal, Porto, 2009. pp. 1168–1173. DOI: 10.1109/IECON.2009.5414657.
16. Konda Y.R., Ponnaganti V.K., Reddy P.V.S., Singh R.R., Mercorelli P., Gundabattini E., Solomon D.G. Thermal analysis and cooling strategies of high-efficiency three-phase squirrel-cage induction motors – a review. Computation, 2024, vol. 12, pp. 6. DOI: 10.3390/computation12010006.
17. Varghese J., Schlautman J., Chen Y., Bhunia S., Srinivasan C. 3D CHT simulation of oil-cooled electric motors: a comparative study of standard and paperless designs. SAE Technical, 2025, pp. 8181. DOI: 10.4271/2025-01-8181.
18. Wang X., Wang Y., Lai X., Wang G., Sang C. Investigation of heat stress and thermal response in deep hot-humid underground environments: a field and experimental study. Building and Environment, 2025, vol. 270, pp. 112506. DOI: 10.1016/j.buildenv.2024.112506.
19. Madhavan S., Devdatta P.B.R., Konda Y.R., Gundabattini E., Mystkowski A., Palka R., Wardach M., Prajzendanc P. Thermal management analyses of induction motor through the combination of air-cooling and an integrated water-cooling. Sci Per, 2023, vol. 13, pp. 10125. DOI: 10.1038/s41598-023-36989-2.
20. Pandey G.K., Sikha S.S., Thakur A., Yarlagadda S.S., Thatikonda S.S., Baiju suja B., Mystkowski A., Dragašius E., Gundabattini E. Thermal mapping and heat transfer analysis of an induction motor of an electric vehicle using nanofluids as a cooling medium. Sustainability, 2023, vol. 15, pp. 8124. DOI: 10.3390/su15108124.
21. Bergfried C., Abdi Qezeljeh S., Roisman I.V., De Gersem H., Hussong J., Späck Leigsnering Y. Thermal finite-element model of electric machine cooled by spray. Energies, 2025, vol. 18, pp. 84. DOI: 10.3390/en18010084.
