Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Моделирование магнитных систем с РЗМ методом гармонического анализа активных зон 10
1.1. Анализ характеристик РЗМ 10
1.2. Конструктивные схемы роторов ЭМП с РЗМ 13
1.3. Математические модели магнитных систем 15
1.3.1. Модели с сосредоточенными параметрами 16
1.3.2. Модели с распределенными параметрами 19
1.4. Расчет магнитных полей методом гармонического анализа активных зон 21
1.4.1. Расчет магнитных систем с призматическими РЗМ 23
1.4.2. Расчет магнитных систем с секторными РЗМ 29
1.4.3. Расчет магнитных систем с кольцевым РЗМ 32
Выводы 40
ГЛАВА 2. Моделирование магнитных систем методом конечных элементов 41
2.1. Применение метода конечных элементов для расчета мапштных полей 41
2.2. Построение моделей магнитных систем в MSC.MARC 44
2.3. Анализ погрешности аналитических решений 53
2.4. Расчет параметров ЭМП на основе метода конечных элементов 62
Выводы 69
ГЛАВА 3. Автоматизированное проектирование синхронных генераторов с возбуждением от РЗМ 70
3.1. Расчетная модель СГ 71
3.1.1. Особенности электромагнитного расчета 73
3.1.2. Особенности теплового расчета 77
3.1.3. Особенности прочностного расчета 82
3.1.4. Алгоритм автоматизированного расчета СГ 83
3.2. Оптимизация СГ с РЗМ 87
3.3. Автоматизированное конструирование 92
3.4. Разработка программного обеспечения 95
3.5. Апробация расчетной методики 97
Выводы 100
ГЛАВА 4. Проектирование высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины 101
4.1. Автономные системы генерирования с приводом от газовой турбины 101
4.2. Предельные уровни мощностей высокоскоростных генераторов 104
4.3. Выбор рациональной конструктивной схемы 108
4.3.1. Выбор конструктивного исполнения ротора 108
4.3.2. Выбор конструктивного исполнения статора 112
4.4. Расчет ряда высокоскоростных синхронных генераторов 113
4.5. Анализ показателей ряда 118
4.5.1. Геометрические характеристики активных зон 118
4.5.2. Электромагнитные нагрузки и масса активных материалов 119
4.5.3. ЭДС, индуктивные параметры и внешние характеристики 120
4.6. Поверочные расчеты МКЭ 121
4.6.1. Определение ЭДС и индуктивных параметров 121
4.6.2. Прочностной расчет бандажа 125
Выводы 128
Заключение 129
Список литературы 132
- Расчет магнитных полей методом гармонического анализа активных зон
- Расчет параметров ЭМП на основе метода конечных элементов
- Алгоритм автоматизированного расчета СГ
- Предельные уровни мощностей высокоскоростных генераторов
Введение к работе
Актуальность работы. Электрические машины с редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ) находят широкое применение в бытовой и медицинской технике, в авиации, на транспорте, в нефтс-газодобывающей промышленности и других отраслях народного хозяйства. Это обусловлено достижениями в области производства высокоэнергетических магнитов, а также развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления [7, 14, 22]. Основными преимуществами машин с РЗМ являются бесконтактность, простота конструкции, надежность, отсутствие потерь на возбуждение, высокие энергетические показатели. Одним из перспективных направлений развития электромеханических преобразователей (ЭМП) с РЗМ является использование их в автономных системах электроснабжения (СЭС) с газотурбинным приводом генераторов.
Разработке теории и методов проектирования ЭМП с РЗМ посвящено большое количество работ [9, 14, 22, 72, 79, 80, 89, 91, 92] и др., однако многие вопросы требуют дальнейшей проработки. Перспективы совершенствования ЭМП с РЗМ связаны с развитием методов автоматизированного проектирования на основе сочетания традиционных методик и компьютерных технологий. Традиционные методики расчета впитали в себя огромный опыт разработок и эксплуатации различных типов ЭМП и являются надежной базой автоматизированного проектирования. Применение компьютерных технологий дает возможность практического использования в процессе разработки ЭМП методов оптимизации, математического моделирования, компьютерной графики, хранения и обработки информации.
Оптимизационные расчеты позволяют улучшить массоэнсргстические показатели ЭМП, при этом качество принимаемых в процессе оптимизации решений во многом зависит от точности используемых математических моделей. Расчетные модели электрических машин включают электромагнитные, механические и тепловые расчеты. Традиционные инженерные методики расчета базируются на моделях с сосредоточенными параметрами, в основе которых лежит теория электрических, магнитных, тепловых и гидрогазодинамических цепей. Недостатком инженерных методов расчета является их невысокая точность, связанная, прежде всего, с приближенным определением параметров схем замещения. Развиваемый в диссертации метод гармонического анализа (МГА) магнитных полей активных зон, позволяет, на базе полученных аналитических решений уточнить традиционные методики электромагнитного расчета ЭМП с РЗМ и более обоснованно подходить к выбору предпочтительного варианта проекта при проведении оптимизационных расчетов. Для автоматизированного расчета и оптимизации ЭМП с РЗМ требуется разработка специализированного программного обеспечения (ПО).
С целью снижения материальных затрат на экспериментальные исследования ЭМП, рационально проводить дополнительную проработку вариантов проекта до подготовки чертежно-конструкторской документации и до изготовления натурных образцов и макетов с помощью пакетов конечно-элементного (КЭ) анализа. Для проведения КЭ анализа электрических машин с возбуждением от РЗМ необходима разработка частных методик и рекомендаций по моделированию этого типа ЭМП методом конечных элементов (МКЭ). Применение при разработке специализированного ПО методов автоматического создания геометрических моделей позволяет быстро и наглядно оценить результаты расчетов, кроме того, импорт полученной геометрии в пакет КЭ анализа сокращает время, затрачиваемое на построение КЭ модели.
Таким образом, использование в процессе проектирования ЭМП с РЗМ специализированного ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и оптимизации электрических машин, а также автоматизированного конструирования активной зоны по результатам оптимизационных расчетов позволяет повысить качество проекта и сократить время на его разработку, а применение мощных систем КЭ анализа дает возможность снизить затраты на экспериментальную доработку ЭМП.
Цель работы - сократить время на разработку, снизить затраты на зксперимеїггальньїе исследования, улучшить массоэнергстичсские показатели ЭМП с РЗМ путем развития методов и средств автоматизированного проектирования на базе сочетания традиционных методов расчета и компьютерных технологий.
Задачи. Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых: - построение математических моделей активных зон ЭМП с РЗМ; уточнение традиционных расчетных методик ЭМП на основе моделей с распределенными параметрами; постановка и решение задачи оптимизации параметров ЭМП с РЗМ; разработка алгоритмов и ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и конструирования ЭМП с РЗМ; разработка методик исследования ЭМП с РЗМ с помощью современных программных систем КЭ анализа; разработка проектов ряда высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических и магнитных цепей, метод эквивалентных тепловых схем, теория прочности, методы математической физики и теории поля, методы оптимального проектирования и математического программирования, а также численные методы анализа ЭМП. Разработка программного обеспечения велась с применением методов объектно-ориентированного программирования.
Объекты исследования. Объектами исследования являются ЭМП с возбуждением от РЗМ. Основное внимание в работе уделено электрическим машинам с радиально намагниченными магнитами и индуктором на роторе. Развиваемые в диссертации методы автоматизированного проектирования, а также разработанные методики были использованы при разработке перспективных источников электроэнергии: генератора мощностью 90 кВ-А для автономной системы и ряда 40-НІ20 кВ-А стартер-генераторов с приводом от газовой турбины.
Научная новизна.
Методом гармонического анализа активных зон получено аналитическое решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с кольцевым постоянным магнитом на основе скалярного потенциала, получено решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с призматическим постоянным магнитом на основе векторного потенциала.
Проведен анализ точности аналитических решений путем сопоставления результатов расчета МГА и МКЭ для магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевым магнитами. Оценена степень влияния каждого из допущений, принимаемых при моделировании магнитного поля активных зон МГА.
Показано, что при трансформации расчетной области с учетом коэффициентов ки и к$, характерных для классических методик, погрешность расчета МГА не превышает 7 %.
3. Разработана методика уточненного электромагнитного расчета синхронного генератора (СГ) с радиально намагниченными РЗМ на роторе, основанная на сочетании классической теории расчета электрических машин с постоянными магнитами (ПМ) и теории поля.
4. Построена расчетная модель СГ с РЗМ, основой которой является уточненный электромагнитный расчет, тепловой и прочностной расчеты определяют функциональные ограничения.
5. Решена задача оптимизации СГ на базе уточненной математической модели ЭМП по критерию минимума массы активных материалов н восьми варьируемым параметрам.
Практическая значимость.
1. Разработана программа автоматизированного проектирования СГ с возбуждением от РЗМ, позволяющая проводить автоматизированное конструирование активной зоны по результатам оптимизационных расчетов.
2. Разработаны методики расчета и исследования активных зон ЭМП с РЗМ с помощью пакета КЭ анализа MSC.MARC.
3. Разработаны проекты ряда генераторов с приводом от газовой турбины для перспективных СЭС постоянного повышенного напряжения. На основе проведенных расчетов сформулированы рекомендации по значениям электромагнитных нагрузок якоря для систем охлаждения продув или самовентиляция.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти печатных работах [44,45,46,47, 53].
Структура работы. Согласно поставленным цели и задачам материал диссертации представлен следующим образом.
ГЛЛВЛ 1. В первой главе рассмотрены основные характеристики, свойства, а также преимущества и недостатки РЗМ па основе данных, предоставляемых отечественными и зарубежными производителями. Приведены конструктивные схемы роторов с радиально намашиченными мапіитами. Проведен анализ математических моделей и методов, используемых для расчета магнитных полей электрических машин. Обосновано использование различных методов расчета на различных этапах проектирования. Методом гармонического анализа активных зон получены аналитические решения задач расчета поля магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевыми РЗМ.
ГЛЛВЛ 2. Вторая глава посвящена расчету и анализу магнитных полей методом конечных элементов. В этом разделе изложены основы МКЭ, показано, что расчет поля МС этим методом сводится к решению системы (нелинейных) алгебраических уравнений высокого порядка. Рассмотрены наиболее эффективные методы решения таких систем. Приведена методика расчета МС с РЗМ в системе MSC.MARC, включающая этапы построения КЭ модели, расчет и анализ результатов. На основе предложенной методики построены КЭ модели магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевым магнитами и проведена оценка поірешности расчета магнитного поля методом гармонического анализа. Оценена степень влияния на погрешность расчета допущений, принимаемых при построении аналитических моделей. Рассмотрены методики определения ЭДС и параметров ЭМП по результатам КЭ анализа.
Расчет магнитных полей методом гармонического анализа активных зон
Недостатком конструкции с тангенциальными магнитами является наличие массивных магнитомягких полюсов, утяжеляющих ротор, способствующих появлению поверхностных потерь и увеличению индуктивности обмотки.
При проектировании высокоскоростных электрических машин небольшой мощности рационально использовать конструкцию роторов с кольцевым магнитом. Характерной особенностью таких магнитных систем является практически синусоидальное распределение магнитной индукции в рабочем зазоре [82]. При этом кольцевой магнит может быть намагничен как по оси, так и по радиусам. Конструкция ротора с цилиндрическим магнитом представлена на рис. 4. На втулке ротора 2 из магнитного материала закрепляется цилиндрический постоянный магнит I. Прочность ротора обеспечивается немагнитным бандажом 3. Основными преимуществом данной конструкции является простота и технологичность.
Помимо рассмотренных основных, существует еще множество конструктивных схем ЭМП с возбуждением от РЗМ. Эти магниты успешно используются в коллекторных машинах, машинах комбинированного возбуждения, торцевых и индукторных машинах [4, 9, 23, 25, 80]. В диссертационной работе основное внимание уделено исследованию магнитных систем с радиально намагниченными РЗМ на роторе, используемых для возбуждения синхронных и вентильных электрических машин.
Одной из основных проблем, возникающих при проектировании ЭМП, является построение адекватных математических моделей. К математическим моделям предъявляют требования точности, экономичности, универсальности. Использование точных моделей зачастую экономически не обосновано, поэтому вводится ряд допущений, и используются приближенные методы расчета. Рассмотрим модели магнитных систем с сосредоточенными и распределенными параметрами, методы, применяемые при расчетах этих моделей, а также целесообразность использования различных моделей и методов на различных этапах проектирования.
Математические модели магнитных систем с сосредоточенными параметрами являются наиболее распространенными при проектировании электрических машин. При построении моделей с сосредоточенными параметрами осуществляется переход от параметров распределенного магнитного поля к сосредоточенным элементам и параметрам МС. Свертка непрерывного пространства магнитного поля к дискретной схеме, включающей в себя конечное число элементов - магнитных проводимостей или магнитных сопротивлений, составляет сущность перехода к схемам замещения магнитной цепи. Схемы замещения магнитной цепи конструируются на базе ряда допущений. Самыми характерными из них являются допущения о постоянстве скалярного магнитного потенциала вдоль ферромагнитных поверхностей и определенности направлений магнитного потока внутри элементов, на которые разбивается пространство. Предполагается также, что границы между элементами имеют постоянные потенциалы [70]. После дискретизации для расчета магнитного поля можно применять классические методы расчета, основанные на теории цепей с учетом известной аналогии между магнитным потоком и электрическим током, электрическим и магнитным сопротивлениями, ЭДС и МДС. Это позволяет производить расчет магнитных цепей на основе хорошо развитых методов теории электрических цепей (контурных токов, узловых потенциалов) [23]. Схема замещения магнитной цепи синхронного генератора с постоянными магнитами, отнесенная к одному полюсу показана на рис.5. Постоянный магнит, являющийся источником магнитного поля, представлен в схеме замещения активным элементом магнитной цепи с сосредоточенной МДС - Fm и сопротивлением - Rffl. При определении МДС обычных магнитов вводятся понятия фиктивной МДС Fcl„=Hl -lu и фиктивной коэрцитивной силы, расположенной на продолжении линии возврата до пересечения с осью абсцисс на характеристике размапіичивания. У высокоэнергстических магнитов кривые возврата практически совпадают с характеристикой размагничивания [22, 72, 80], поэтому значение МДС можно определять как Ft = //. /„. Более универсальный подход к анализу машин с ПМ базируется на графическом построении диаграммы состояния магнита с учетом реакции якоря и потоков рассеяния с непосредственным использованием характеристики размагничивания магнитотвердого материала [23]. Диаграмма состояния РЗ магнита изображена на рис.7. Как видно из диаграммы, положение рабочей точки определяют проводимости воздушного зазора и рассеяния магнита, а также МДС реакции якоря.
Таким образом, проблема расчета поля при использовании моделей с сосредоточенными параметрами сводится к определению параметров схем замещения МС.
При расчете параметров МС в инженерной практике получил широкое применение метод вероятных путей потока [9,21, 23, 89, 90]. Этот метод применяется для расчета сложных, в частности трехмерных электромагнитных полей. Для расчета проводимостей МС вначале из физических соображений определяются наиболее вероятные трубки замыкания магнитного потока. Общая магнитная проводимость системы определяется как сумма проводимостей трубок магнитного потока. Зная пронодимость системы можно определить общий поток, который может быть разделен па составляющие, пропорционально магнитным проводимостям по путям его замыкания. Недостатками данного метода являются отсутствие теоретического обоснования и критериев для оценки точности. В то же время простота и доступность метода вероятных путей потока позволяют быстро производить предварительные расчеты магнитных систем с допустимой для инженерных методов погрешностью, составляющей 10-20%.
Модели МС с сосредоточенными параметрами отличаются простотой и наглядностью. Использование таких моделей целесообразно для предварительных расчетов, так как точность получаемых результатов сравнительно невысока.
Расчетные модели ЭМП на основе метода проводимостей зубцовых контуров (МПЗК) [55, 90, 99] занимают промежуточное место между моделями с сосредоточенными и распределенными параметрами. Расчет магнитного поля по МПЗК проводится в два этана. Па первом этапе аналитическими [!] либо численными [33] методами определяются проводимости между контурами статора и ротора в зависимости от угла между осями контуров. На втором этапе составляется схема замещения магнитной цепи и производится се расчет при различных положениях ротора и (или) значениях токов обмоток. Моделирование магнитных полей МПЗК является достаточно трудоемким, требует разработки специального методического и программного обеспечения. Вместе с тем этот метод целесообразно использовать при расчете переходных процессов в ЭМП с учетом нелинейности магнитной системы, так как предварительный анализ проводимостей позволяет значительно ускорить процесс решения задачи.
Расчет параметров ЭМП на основе метода конечных элементов
Таким образом, процедура минимизации функционала (46) приводит к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) вида (57), которые могут быть решены относительно узловых значений. Для решения СЛАУ могут применяться прямые (точные) или итерационные (приближенные) методы. Из точных методов наиболее эффективным является метод Холецкого, из приближенных — метод сопряженных градиентов [107]. Подробное описание этих и других методов решения систем алгебраических уравнений можно найти в [13, 26, 30]. Окончательное решение о применении итерационных или прямых методов решения СЛАУ необходимо принимать на основе анализа структуры исследуемой задачи и ресурсов компьютера. Итерационные методы предпочтительны при решении больших, как правило, трехмерных задач. При решении трехмерной задачи мапіитостатики КЭ сетка в 5000 тстраэдальпых элементов требует от 12 до 18 мегабайт оперативной памяти. Следовательно, для персонального компьютера, имеющего ОЗУ 256 Мб, максимальный объем задачи, вычисляемой методом Холецкого не должен превышать 40-50 тыс. элементов, в противном случае целесообразно использовать итерационные методы.
При решении нелинейных задач, которыми в большинстве случаев являются задачи расчета магнитных полей в ЭМП, используются численные методы, основанные на различных итерационных формулах. В программных системах КЭ анализа наибольшее распространение получил метод Ньютона и его модификации [104, 107]. Итерационный процесс решения системы нелинейных алгебраических уравнений заканчивается, как только модуль вектора невязок укажет на достижение заданной расчетчиком точности.
Результатом решения полевой задачи МКЭ являются значения векторного магнитного потенциала в узлах конечно-элементной сетки, дающие исчерпывающую информацию о распределении магнитного поля в активной зоне. Распределение потенциала во всей расчетной области определяется с помощью принятого способа аппроксимации.
Решение, полученное МКЭ, содержит погрешность дискретизации и вычислитслыгую погрешность. Вычислительная погрешность возрастает с увеличением числа операций, и, значит, с увеличением числа элементов. Большое отношение максимального и минимального размеров элементов ухудшает обусловленность матриц систем алгебраических уравнений и также увеличивает вычислительную погрешность. Для линейных задач рекомендуется, чтобы это отношение не превышало 100. Погрешность дискретизации зависит от характера искомой функции и способа ее аппроксимации, вида граничных условий и размеров элемента. Эта составляющая погрешности экспоненциально снижается при применении аппроксимации потенциальной функции полиномами высших порядков.
Па основе МКЭ создан ряд мощных программных систем, позволяющих с высокой точностью решать задачи электромагнетизма. Такими системами являются ANSYS, EMAS, MSC.MARC, QuickField, COSMOS имеющих широкие возможности исследования стационарных и нестационарных, изменяющихся по гармоническому или произвольному закону, электромагнитных процессов, происходящих в линейных или нелинейных, изотропных или анизотропных средах. Это программное обеспечение является универсальным и может применяться для моделирования любых электрических машин или устройств. При этом для построения моделей конкретных объектов требуется разработка методологического обеспечения (расчетных методик) позволяющих получать результаты с высокой степенью достоверности.
Так как данная работа посвящена исследованиям стационарных магнитных полей, создаваемых постоянными магнитами, рассмотрим методику решения задач магнитостатики в системе КЭ анализа MSC.MARC. Система MSC.MARC содержит ряд интегрированных программ [106]: решатель (процессор) MARC - программа, предназначенная для проведения расчетов методом конечных элементов. универсальный пре-постпроцессор Mentat - интерактивная программа, предназначенная для подготовки исходных данных, генерации КЭ сетки и обработки результатов расчета. Для расчета магнитных полей в системе MSC.MARC необходимо: Если исследуемая магнитная система имеет простую геометрическую конфигурацию, произвести построение ее геометрической модели непосредственно в Mentat, используя команды добавления и редактирования примитивов меню МЕСН GENERATION: ADD, EDIT, SHOW (POINT, CURVE, SURFACE, SOLID), DUBLICATE, SYMMETRY, MOVE и т.д. Если построение геометрической модели в Mentat вызывает трудности ввиду ограниченных возможностей геометрического моделирования этой программы, ее целесообразно строить в какой либо из поддерживаемых Mentat CAD -систем, а затем, импортировать полученную геометрию в Mentat с помощью команды FILE / IMPORT І тин файла . После этого необходимо осуществить проверку импортированной геометрической модели и очистить ее от ненужных элементов с помощью команд подменю МЕСН GENERATION / AUTOMECH / REPAIR GEOMETRY.
Алгоритм автоматизированного расчета СГ
Большое влияние на массогабаритные показатели, а также на ресурс и надежность ЭМП оказывает тепловое состояние электрической машины, определяемое системой охлаждения и электромагнитными нагрузками. Нагрев электрических машин ограничен, прежде всего, пагревостойкостыо изоляции. Авиационные электрические генераторы допускают предельные температуры для изоляции класса А - 155 С, для изоляции класса В - 175 С, для изоляции класса С -200 С [14].
Для электрических машин с РЗМ температурный режим работы оказывает существенное влияние на характеристики магнитов (см. таблицу І). В то же время повышенные требования и сложные условия эксплуатации вызывают в электрических машинах вес большие тепловые перенапряжения. В связи с этим для обоснованного выбора системы охлаждения и электромагнитных нагрузок необходимо проведение проектировочных тепловых расчетов. Тепловой расчет электрической машины предназначен для определения теплового состояния основных се элементов, а также величины и направления тепловых потоков. При этом точность расчета должна быть достаточной для принятия решений о возможной либо необходимой корректировке тех или иных конструктивных параметров.
Наиболее распространенным и эффективным методом тепловых расчетов является метод эквивалентных тепловых схем, основанный на аналогии между электрическим потенциалом и температурой, электрическим током и тепловым пагоком, сопротивлением протеканию электрического тока и сопротивлением протеканию тепловою потока, а так же на общности записи закона Ома для электрической цени и закона Фурье для процесса распространения тепла.
Введение электротепловой аналогии позволяет применять для математического описания тепловой схемы законы Кирхгофа. Таким образом, тепловой расчет сводится к построению тепловой схемы замещения, отысканию параметров этой схемы и решению системы алгебраических уравнений.
При тепловом расчете используются следующие допущения: 1. распределенные по объему источники тепловыделения представляются сосредоточенными; 2. Процессы распространения тепла в твердых телах принимаются линейными, что позволяет использовать принцип суперпозиции для нахождения температуры при наличии нескольких источников тепловыделения. При допущении об отсутствии теплообмена между индуктором и якорем тепловой расчет статора ЭМП с РЗМ не отличается от теплового расчета электрических машин с электромагнитным возбуждением. Эквивалентная тепловая схема замещения статора синхронного генератора приведена на рис 26. На рис.27 показано положение узловых точек этой схемы. За основу предложенной схемы замещения была взята схема, рассмотренная в [74]. Приведенная схема замещения является достаточно универсальной и позволяет посредством переопределения параметров моделировать тепловые процессы практически всех известных конструкций при охлаждении путем самовентиляции или продува. Расчет параметров схемы замещения или сопротивлений теплопередачи и теплоотдачи подробно рассмотрен в [6, 15, 31, 74, 94, 101]. Наиболее сложным является определение сопротивлений теплоотдачи. Количественной характеристикой интенсивности теплоотдачи с поверхности охлаждаемого тела является коэффициент теплоотдачи. Практически единственным способом его определения является эксперимент. Для определения коэффициентов теплоотдачи в каналах статора и воздушном зазоре используется теория подобия аэрогидродипамических и теплофизических процессов, позволяющая распространять результаты конкретных экспериментов на смежную область сходных условий [74, 101]. Для схемы представленной на рис.2 па основе 1-го и 2-го законов Кирхгофа была составлена система из 19 линейных алгебраических уравнений. Решение такой системы аналитически не представляется возможным, его целесообразно искать с помощью численных методов. Для решения системы уравнений тепловой схемы замещения СГ ігри программной реализации был использован метод Гаусса с выбором главного элемента [13]. Особенностью теплового расчета роторов генераторов с постоянными магнитами является отсутствие потерь на возбуждение. Для принятой системы охлаждения тепловое состояние ротора, оказывающее значительное влияние па В-Н арактеристику магнитов, зависит от величины потерь, выделяемых в роторе, теплообмена между ротором и статором и подогревом воздуха в воздушном зазоре. К основным потерям ротора можно отнести поверхностные потери и потери на трение бочки ротора о воздух: Р =р +р Эти потери наиболее существенны для высокоскоростных электрических машин. Поверхностные потери возникают благодаря неравномерному распределению индукции на поверхности ротора вследствие зубчатого строения статора. При вращении ротора возникают потери от вихревых токов, которые, приближенно, можно оценить по формуле [87]:
Предельные уровни мощностей высокоскоростных генераторов
В процессе проектирования электрической машины чертежные работы составляют до 50-70% общего времени на создание проекта [3, 78]. Современный уровень программных и технических средств позволяет перейти от традиционных, ручных методов конструирования к новым информационным технологиям с использованием ЭВМ. Средства компьютерной графики при проектировании электрических машин используются при разработке конструктивной схемы и создании конструкторской документации и предназначены для повышения эффективности процесса конструирования. Наиболее эффективными для аїл оматизации конструкторской деятельности являются интерактивные средства компьютерной графики, обеспечивающие процесс конструирования в режиме диалога «человек- ЭВМ».
Широкое применение в качестве средства автоматизации конструкторских и чертежно-графических работ получила система AutoCAD [65, 84], разработанная фирмой Autodesk Inc. Эта система позволяет создавать конструкторскую документацию, удовлетворяющую стандартам ЕСКД как по качеству исполнения документов, так по соблюдению требований и стандартов, улучшить качество ее оформления и значительно ускорить процесс конструирования. В AutoCAD могут создаваться чергежи и схемы, как с использованием простых графических примитивов, так и целых фрагментов ранее созданных конструктивных элементов, таких как графические изображения стандартных изделий, типовых и унифицированных конструкций и т.д. Одним из достоинств AutoCAD является возможность экспорта созданных файлов практически любую CAD - систему.
Помимо непосредственного черчения, в AutoCAD существуют методы автомагического создания геометрических моделей. Наиболее простым методом программированного составления чертежей является формирование пакетного файла в ASCII-формате с перечнем команд и опций AutoCAD, который последовательно выполняется при загрузке или при вызове команды SCRIPT (ПАКЕТ). Такой файл можно сгенерировать вне системы AutoCAD, например, с помощью программы, написанной на любом языке программирования.
Использование этого метода при проектировании ЭМП позволяет в автоматическом режиме по результатам расчета получить чертеж продольного и поперечного разрезов активной зоны разрабатываемой машины. Для создания пакетных файлов был написан ряд процедур охватывающих основные типы конструктивного исполнения генераторов с РЗМ. Алгоритм создания пакетного файла включает два этапа. Па нервом этапе результаты расчета преобразуются, с учетом принятого масштаба, в соответствующие геометрические размеры и координаты основных конструктивных элементов генератора. На втором этапе создается пакетный файл, содержащий набор команд для управления системой AutoCAD. Пример построения активной зоны с помощью пакетного файла представлен на рис. 32.
Автоматическое конструирование активной зоны дает возможность быстро и наглядно оценить результаты расчета. Помимо этого полученная геометрическая модель может быть импортирована в системы КЭ анализа для проведения более детальных исследований, а так же использоваться для дальнейшей разработки конструкции преобразователя. Преобразование геометрической модели, полученной в результате автоматизированного конструирования активной зоны СГ, в КЭ модель представлено на рис. 33.
Кроме рассмотренного выше, существуют вариантный и генерирующий методы проітзаммного создания чертежей.
Вариантный метод предполагает как необходимое условие описание типовой модели или модели представителя, вместо конкретных размеров которой указываются свободные параметры с их наименованиями. Создание чертежей различных вариантов модели возможно с помощью программы на AutoLISP (встроенный язык программирования AutoCAD) путем задания различных значений параметров.
Генерирующий метод позволяет создавать чертеж из отдельных элементов. Метод заключается в создании на AutoLISP конструктивно-ориентированных описаний элементов чертежа и предстаЕілснии их в виде команд редактора AutoCAD. Использование генерирующего метода при конструировании заключается в раздслсЕїии чертежа изделия на элементы и создании новых чертежей изделий из имеющихся элементов. РассмотреЕЕные методы позволяют сократить время изготовления чертежей, освобождают конструктора от рутинной работы и открывают новые перспективы в развитии систем автоматизированного проецирования.
Разработка программного обеспечения, с цел ЕЛО реализации разработанных методик и алгоритмов, является одним из ключевых моментов автоматизации расчетных работ при проектировании СГ. От качества используемого ПО во многом зависит эффективность работы инженера, оно должно удовлетворять требованиям адаптируемости, гибкости, компактности, надежности [39, 73]. В соответствии с этими основными принципами была разработана программа ARSG, в которой реализованы алгоритмы проектировочного, поверочного и оптимизационного расчетов. Программа написана на языке программирования Delphi 5, и предназначена для работы в среде операционных систем Windows 9X/NT. С целью повышения удобства отладки и модернизации, программа ARSG имеет модульную струюуру, т.е. содержит ряд самостоятельных модулей, каждый из которых предназначен для решения определенных задач: 1. интерфейсный модуль отвечает за обеспечение диалогового режима работы пользователя и ЭВМ, ввод и редактирование исходных данных, запуск процедур предварительного и оптимизационного расчетов, процедур, осуществляющих автоматизированное конструирование, визуализацию и печать результатов. 2. модуль ввода-вывода, содержащий процедуры, предназначенные для ввода исходш,1Х данных из файла и сохранения результатов расчета. 3. модуль проектировочного расчета осуществляет синтез геометрии СГ по исходным данным, введенным пользователем. 4. модуль поверочного расчета содержит процедуры электромагнитного, теплового и прочностного расчетов СГ на основе принятых математических моделей. 5. модуль, предназначенный для решения полевых задач и предоставления основной расчетной процедуре информации, необходимой для расчета коэффициентов магнитной цепи. 6. модуль оптимизационного расчета, реализующий алгоритм оптимизации СГ по критерию минимума массы активных материалов. 7. модуль автоматизированного конструирования, осуществляющий преобразование результатов расчета и создание пакетного файла для управления средой AutoCAD. 8. модуль, содержащий процедуры, реализующие численные методы (решение систем алгебраических уравнений, иіггсрполяция, численное интегрирование), используемые при расчетах, и дополнительные математические функции, отсутствующие в стандартной библиотеке Pascal. Такая структура программы позволяет быстро вносить изменения п алгоритмы и методики расчета. Помимо этого ряд модулей может быть использован без изменений при создании аналогичных программ, предназначенных для автоматизированного расчета электрических машин других типов. Программа ARSG является специализированным ПО, предназначенным для автоматизированного проектирования СГ с радиально намагниченными РЗМ на роторе. Это ПО особенно полезно на этапе эскизного проектирования, где для проектировщика важно быстро выделить и исследовать наиболее перспективные альтернативы. Используя при расчете классические методы, объединен шле с методами теории поля и методами оптимального проектирования, программа быстро и качественно производит предварительные и оптимизационные расчеты параметров и характеристик синхронной машины.
