Исследование электрических машин

Исследование электрических машин на основе численных методов

Увеличение единичных мощностей электрических машин привело к росту их размеров и одновременно степени использования активных материалов - электротехнической стали и обмоточной меди. При этом растут удельные энергетические показатели, что обеспечивается большей концентрацией энергии магнитного поля, т.е. увеличением плотности тока в обмотках и индукции в магнитопроводе. Все это приводит к увеличению потерь энергии, а значит и проблемам отвода тепла. Последний фактор является главным ограничителем роста единичной мощности электрических машин.

Помимо тепловых потерь еще одним ограничением степени использования магнитной системы является насыщение стали. Для электрических машин учет нелинейности кривой намагничивания весьма актуален, так как наличие в них малого воздушного зазора и зубчатости сердечников приводит к сильному насыщению коронок зубцов.

Такое насыщение оказывает существенное влияние на характер изменения токов в обмотках и электромагнитного момента машины. В связи с этим детальный анализ и учет перечисленных факторов в процессе проектирования становится особенно актуальным.

исследования_рис1

 Успешное решение задач электромашиностроения может быть достигнуто только на основе надежных и доскональных знаний о распределении электромагнитного поля в проектируемых электрических машинах. Чтобы спроектировать электрическую машину необходимо знать распределение в ней электромагнитного поля, учитывать его влияние на тепловые потери, знать механические нагрузки и режимы работы. При этом знания о распределении поля важны не только в электрических машинах, но и в  других электротехнических устройствах: трансформаторах, магнитных усилителях, индукционных регуляторах, микромашинах, работающих в различных системах автоматики и т.д.

Особенно это важно при проектировании новых, нетрадиционных конструкций, для которых накопленный опыт проектирования неприемлем.

Ведь для того, чтобы правильно рассчитать геометрию и размеры магнитопровода, выбрать тип обмотки и ее число витков, уменьшить их массу и увеличить КПД, необходимо обладать достоверными знаниями о поведении поля в машине.

исследования_рис2

Поэтому расчет электромагнитного поля, которое образовано токами обмоток, представляет собой одну из наиболее важных задач теории электромеханики. В общем виде эта задача может быть решена на основе уравнений Максвелла:

\begin{cases}\mathrm{rot}\overrightarrow{H}=\overrightarrow{J}+\dfrac{\delta\overrightarrow{D}}{{\delta}t};\\\mathrm{rot}\overrightarrow{E}=-\dfrac{\delta\overrightarrow{B}}{{\delta}t};\\\mathrm{div}\overrightarrow{D}=\rho;\\\mathrm{div}\overrightarrow{B}=0,\end{cases}

где \overrightarrow{H} - напряженность магнитного поля; \overrightarrow{J} - плотность электрического тока;\overrightarrow{D}  - электрическая индукция; \overrightarrow{E} - напряженность электрического поля; \overrightarrow{B} - магнитная индукция; \rho - плотность электрического заряда.

В большинстве случаев аналитическое решение поставленной задачи оказывается невозможным. Это связано главным образом со сложной формой границ расчетной области и с нелинейностью свойств материалов в зависимости от индукции или напряженности магнитного поля.

исследования_рис3

В недавнем прошлом, когда вычислительная техника еще не получила высокого уровня развития, при решении полевых задач принимались серьезные упрощающие допущения, позволяющие получать аналитическое решение. Но точность этих решений во многих случаях была недостаточной. С развитием вычислительной техники наиболее подходящими методами для проектирования электротехнических устройств и электрических машин в частности являются численные методы расчета магнитного поля. Численное решение уравнений поля с использование высокопроизводительных ЭВМ с помощью различных вычислительных программ, основанных, например, на методах конечных разностей (МКР), конечных элементов (МКЭ) и других, позволяет практически без каких-либо упрощающих допущений с высокой точностью рассчитать распределение поля в любом электромеханическом устройстве, получить значения электромагнитных параметров и механических характеристик.

исследования_рис4


На кафедре электротехники и электромеханики Днепродзержинского государственного технического университета работы по исследованию электрических машин на основе численных методов впервые были выполнены под руководством проф. Съянова А.М. и посвящены исследованию процессов в статических и динамических режимах работы асинхронных двигателей с учетом нелинейных электромагнитных параметров. Позже работы были продолжены доц. Качурой А.В. и направлены на изучение электромагнитного поля в массивных ферромагнитных телах на основе метода конечных элементов.

По результатам исследований опубликовано следующие работы:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.