Дослідження електричних машин на основі чисельних методів
Збільшення одиничних потужностей електричних машин привело до зростання їх розмірів і одночасно мірою використання активних матеріалів - електротехнічної сталі і обмотувальної міді. При цьому зростають питомі енергетичні показники, що забезпечується більшою концентрацією енергії магнітного поля, тобто збільшенням щільності струму в обмотках і індукції в муздрамтеатрі. Все це призводить до збільшення втрат енергії, а значить і проблем відведення тепла. Останній фактор є головним обмежувачем зростання одиничної потужності електричних машин.
Крім теплових втрат ще одним обмеженням ступеня використання магнітної системи є насичення стали. Для електричних машин облік нелінійності кривої намагнічування вельми актуальний, так як наявність в них малого повітряного зазору і зубчастості сердечників призводить до сильного насичення коронок зубців.
Таке насичення істотно впливає на характер зміни струмів в обмотках і електромагнітного моменту машини. У зв'язку з цим детальний аналіз і облік перерахованих факторів в процесі проектування стає особливо актуальним.
Успішне вирішення задач електромашинобудування може бути досягнуто тільки на основі надійних і докладних знань про розподіл електромагнітного поля в проектованих електричних машинах. Щоб спроектувати електричну машину необхідно знати розподіл в ній електромагнітного поля, враховувати його вплив на теплові втрати, знати механічні навантаження і режими роботи. При цьому знання про розподіл поля важливі не тільки в електричних машинах, але і в інших електротехнічних пристроях: трансформаторах, магнітних підсилювачах, індукційних регуляторах, мікромашин, що працюють в різних системах автоматики і т.д.
Особливо це важливо при проектуванні нових, нетрадиційних конструкцій, для яких накопичений досвід проектування неприйнятний.
Адже для того, щоб правильно розрахувати геометрію і розміри магнітопровода, вибрати тип обмотки і її число витків, зменшити їх масу і збільшити ККД, необхідно володіти достовірними знаннями про поведінку поля в машині.
Тому розрахунок електромагнітного поля, яке утворено струмами обмоток, являє собою одну з найбільш важливих завдань теорії електромеханіки. У загальному вигляді ця задача може бути вирішена на основі рівнянь Максвелла.
У більшості випадків аналітичне рішення поставленого завдання виявляється неможливим. Це пов'язано головним чином зі складною формою кордонів розрахункової області і з нелінійністю властивостей матеріалів в залежності від індукції або напруженості магнітного поля.
У недавньому минулому, коли обчислювальна техніка ще не отримала високого рівня розвитку, при вирішенні польових задач приймалися серйозні спрощують припущення, що дозволяють отримувати аналітичне рішення. Але точність цих рішень у багатьох випадках була недостатньою. З розвитком обчислювальної техніки найбільш придатними методами для проектування електротехнічних пристроїв і електричних машин зокрема є чисельні методи розрахунку магнітного поля. Чисельне рішення рівнянь поля з використання високопродуктивних ЕОМ за допомогою різних обчислювальних програм, заснованих, наприклад, на методах скінченних різниць (МКР), скінченних елементів (МСЕ) та інших, дозволяє практично без будь-яких спрощують припущень з високою точністю розрахувати розподіл поля в будь-якому електромеханічному пристрої, отримати значення електромагнітних параметрів і механічних характеристик.
На кафедрі електротехніки та електромеханіки Дніпродзержинського державного технічного університету роботи по дослідженню електричних машин на основі чисельних методів вперше були виконані під керівництвом проф. С'яново А.М. і присвячені дослідженню процесів в статичних і динамічних режимах роботи асинхронних двигунів з урахуванням нелінійних електромагнітних параметрів. Пізніше роботи були продовжені доц. Качура О.В. і спрямовані на вивчення електромагнітного поля в масивних феромагнітних тілах на основі методу скінченних елементів.
За результатами досліджень опубліковано наступні роботи:
- Качура А.В., С’янов А.М., Мороз С.В. Розробка алгоритмів генерації сітки скінчених елементів для розрахунку електромагнітного поля в електротехнічних об'єктах // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук.- 2003.-Вип.2 (19), Т. 2.- C. 22-24.
- Качура А.В., Съянов А.М. Разработка САПР для исследования характеристик электротехнических устройств с целью их оптимизации на основе численных методов// Математичне моделювання. ДДТУ.- 2003. – 1(9) -C.53-56.
- Качура А. В., Сторожко В. С., Дехтяренко А.О Разработка математических моделей для задач электротехники на основе численных методов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету - Кременчук. – 2003. - №2 - C. 282-286.
- Качура А.В., С’янов А.М., Сторожко В.С. Математическая модель индукционного реостата с учетом насыщения магнитной системы. Вісник Кременчуцького державного політехнічного універсистету 2002 р., С. 376-378.
- Качура А.В., Съянов А.М. Разработка универсального пакета прикладных программ для моделирования индукционных реостатов. Вісник Кременчуцького державного політехнічного універсистету, Вип. 4/2005(33), С. 158-161.