Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса и постановка задачи 13
1.1 Область применения и технические характеристики асинхронных двигателей. Выбор конструкции 13
1.2 Математическое моделирование магнитного поля торцевого асинхронного двигателя 31
1.3 Постановка задач исследований 45
1.4 Выводы 46
2 Математическая модель торцевого асинхронного двигателя 48
2.1 Основные допущения 48
2.2 Уравнения торцевого асинхронного двигателя 51
2.3 Определение фазных токов и эквивалентных комплексных сопротивлений ТАД 65
2.4 Интегральные характеристики ТАД 68
2.5 Магнитное поле в воздушном зазоре ТАД при взаимодействии ротора и статора 70
2.6 Выводы 74
3 Оптимизация параметров торцевого асинхронного двигателя 76
3.1 Сущность методов многокритериальной оптимизации 76
3.2 Поиск оптимальных геометрических параметров торцевого асинхронного двигателя 80
3.3 Построение твердотельной модели 86
3.4 Выводы 89
4 Исследование электромагнитных процессов в торцевом асинхронном двигателе с применением программного комплекса ANSYS 91
4.1 Краткий обзор комплексов программ и численных методов 92
4.2 Моделирование электромагнитных процессов в торцевом асинхронном двигателе 100
4.3 Выводы 130
5 Экспериментальные исследования асинхронной машины и другие режимы ее работы 132
5.1. Экспериментальные исследования асинхронной машины по адаптированной методике расчета 132
5.2 Работа торцевого асинхронного двигателя в генераторном режиме 137
5.3 Выводы 142
Заключение 143
Список использованных источников 146
Приложение 159
- Математическое моделирование магнитного поля торцевого асинхронного двигателя
- Определение фазных токов и эквивалентных комплексных сопротивлений ТАД
- Поиск оптимальных геометрических параметров торцевого асинхронного двигателя
- Моделирование электромагнитных процессов в торцевом асинхронном двигателе
Введение к работе
Актуальность. Повышенный интерес к асинхронным двигателям, в последние 30 лет, вызван требованиями рынка, который определяет главные цели и задачи в развитии современного промышленного производства. Основными из них являются: повышение качества и надежности, снижение себестоимости и материалоемкости, а также энергопотребления и трудоемкости. Решение этих и других задач особенно важно при проектировании и изготовлении электрических машин (ЭМ) малой мощности, производство которых представляет собой самостоятельную развивающуюся отрасль, и которые имеют наибольшее распространение в различных отраслях промышленности.
Во всем мире асинхронные машины традиционной цилиндрической конструкции являются наиболее используемыми в промышленности, строительстве, сельскохозяйственном производстве.
Однако дальнейшее развитие малых (ориентировочно мощность на валу до 10 кВт) асинхронных двигателей традиционной конструкции осложнено конструктивно-технологическими ограничениями зубцово-пазовых обмоточных зон. Для решения этих задач была предложена новая конструкция асинхронного двигателя - торцевой асинхронный двигатель (ТАД) с автономным зубцово-пазовым слоем.
Торцевые конструкции существенно выигрывают по занимаемому пространству за счет приближения электродвигателя к рабочему механизму, возможности объединения конструктивных схем механизма и приводного двигателя. Малый осевой размер торцевых двигателей обеспечивает конструктивную совместимость их с рядом механизмов, компактность и удобство эксплуатации и сборки.
Значительный вклад в исследование и развитие ТАД внесли ученые нашей страны: Копылов И.П., Юферов Ф. М., Казанский В.М., Инкин А.И. и
др.
Известные работы, как правило, содержат вопросы исследования магнитного поля торцевой электрической машины с упрощенными расчетными формулами. Используемые в них допущения приводят к существенному снижению достоверности результатов и не дают наглядной картины распределения магнитного поля в активном объеме торцевой машины.
Научная задача заключается в разработке математической модели расчета электромагнитного поля и в исследовании электромагнитных процессов в активном объеме новой оригинальной конструкции двухроторного торцевого асинхронного двигателя с двухсторонним открытием паза статора, с целью существенно сниженной материалоемкости, повышения энергетическими показателей и определения его выходных характеристик.
Объект исследования: новый двухроторный торцевой асинхронный двигатель с активным распределенным слоем (АРС), двухсторонним открытием паза статора и двумя роторами.
Предмет исследования: электромагнитные поля и процессы в активном объеме двухроторного торцевого асинхронного двигателя, способы снижения массы и габаритов и повышения энергетических показателей машины на основе современных методов математического, оптимизационного и имитационного моделирования.
Целью диссертационной работы является разработка и комплексные исследования оригинальной конструкции торцевого асинхронного двигателя существенно сниженной массы активных материалов с повышенными энергетическими характеристиками, основанные на сочетании численных методов расчета электромагнитного поля в активном объеме машины и современных компьютерных технологий, направленные на формирование рекомендаций по проектированию этого типа двигателей.
Указанная цель достигается решением следующих задач:
Разработать конструкцию торцевого асинхронного двигателя, исключающую недостатки известных конструктивных решений и обосновать способы повышения его энергетической эффективности.
Разработать математическую модель для исследования активных зон торцевого двигателя новой конструкции, на основе анализа теоретических исследований и методов построения моделей физических явлений, применяемых в электромеханике, которая функционально связывает его выходные характеристики и геометрические параметры машины.
Разработать алгоритм поиска оптимальной конструкции нового торцевого асинхронного двигателя и его магнитной системы, на основе метода многокритериальной оптимизации и программное обеспечение для автоматизированного трехмерного моделирования.
Разработать метод исследования ТАД с помощью современных программных систем конечно-элементного анализа, при трехмерной постановке задачи, позволяющий наглядно моделировать электромагнитные процессы в нелинейных магнитных системах.
Выполнить анализ выходных характеристик разработанного ТАД с использованием математического, имитационного и физического моделирования на имеющемся асинхронном двигателе традиционной конструкции.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных теорем и уравнений классической электродинамики. При разработке математической модели ТАД используются аналитические методы решения дифференциальных уравнений, для определения выходных характеристик применены разработанные схемы замещения, основанные на исследовании электромагнитного поля в активном объеме двигателя, а для исследования электромагнитных процессов применено имитационное моделирование с помощью «тяжелого» моделирующего пакета ANSYS. Эксперимент был проведен с помощью непосредственных методов испытаний асинхронной электрической машины традиционной конструкции и выполнен сопоставительный анализ результатов.
Новые научные результаты, выносимые на защиту:
Разработана математическая модель электромагнитного поля оригинального двухроторного торцевого асинхронного двигателя, позволяющая по известным геометрическим параметрам определять мгновенное распределение магнитной индукции в рабочем зазоре и рассчитывать выходные характеристики машины.
Создан алгоритм поиска оптимальной конструкции ТАД на основе метода многокритериальной оптимизации позволяющий получить геометрические параметры, при которых обеспечивается повышение энергетической эффективности машины по заданным критериям качества (массы активных материалов, кратности пускового и максимального моментов, КПД, номинального скольжения).
На основе имитационного моделирования электромагнитных процессов в активном объеме торцевого асинхронного двигателя новой конструкции при трехмерной постановке задачи, в программном комплексе ANSYS, определены мощность и моменты при различных скольжениях, получена картина распределения магнитной индукции позволяющая оценить эффективность использования активных материалов и возможность дальнейшего снижения массы машины.
Значения полученных результатов для теории заключается в распространении теории электромагнитного поля на исследование активных зон двухроторного торцевого асинхронного двигателя с двухсторонним открытием паза статора позволяющая по известным геометрическим размерам и характеристикам материалов статора и ротора найти мгновенное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре, а также определить выходные характеристики торцевой машины в установившихся режимах работы.
Значения полученных результатов для практики заключается в разработке двухроторного торцевого двигателя сниженной материалоемкости из-за отсутствия ярма статора и ротора разнесенного по обе стороны открытого паза статора, определении оптимальной геометрии электромагнитной системы и синусоидального распределения магнитного поля в воздушном зазоре.
Также разработаны рекомендации по проектированию электропривода с применением ТАД, направленные на повышение эксплуатационных и энергетических показателей.
Достоверность полученных результатов подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели двухроторного ТАД с результатами имитационного моделирования в среде ANSYS а также удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных выходных характеристик серийного асинхронного двигателя и характеристик определенных по разработанной математической модели, адаптированной для данного двигателя.
Использование результатов диссертации. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке конструкции низкоскорост-
ной торцевой электрической машины, спроектированной научно-образовательным центром «Наукоемкие технологии в машиностроении» СФУ в рамках проекта №02.740.11.0056, выполняемому по заказу Роснауки, изготовленной «Организацией научного обслуживания Красноярский опытный завод ГОСНИТИ Российской академии сельскохозяйственных наук КРОЗ ГОСНИТИ».
Результаты теоретических исследований и разработанного программного продукта внедрены в учебный процесс Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при чтении лекций по дисциплине «Электрические машины», при выполнении курсовых и дипломных проектов студентов электротехнических специальностей.
Личный вклад автора. Результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация результатов диссертации. Основные научные и практические результаты докладывались и обсуждались на Симпозиуме по кадровому сотрудничеству Китая и России (г. Харбин (КНР) 2006 г), на 11 международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ТПУ 2005г), на межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири - науке России» (Красноярск, 2004 г), межрегиональной научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири», (Красноярск, 2006 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 статья из перечня ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 4 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и межрегиональных научно-практических конференций и семинаров.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 133 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 129 страницах, содержит 7 таблиц и 63 рисунка.
Математическое моделирование магнитного поля торцевого асинхронного двигателя
Теория электрических машин с самого начала развивалась в двух направлениях: в основе одного из них лежала теория электрических цепей, в основе другого — теория электромагнитного поля. Причем исторически методы теории цепей начали использоваться для анализа и расчета электрических машин раньше методов теории электромагнитного поля. Объяснить это можно тем, что теория электрических цепей не требовала применения в расчетах уравнений Максвелла и свойственного им специфического математического аппарата.
Одним из ярких достижений первого направления по праву можно считать общую теорию электромеханического преобразования энергии, часто называемую обобщенной или матричной теорией. Последнее подразумевает, что в ее изложении используется математический аппарат дифференциальной геометрии многомерных пространств, тензорного анализа и матричной алгебры.
В обобщенной теории любая электрическая машина рассматривается как совокупность взаимно перемещающихся, связанных магнитно электрических цепей с сосредоточенными параметрами. В допущениях обычно пренебрегают такими физическими явлениями, как насыщение, гистерезис, магнитные потери, высшие гармоники. Это оправдано, если рассматриваются динамические режимы, в особенности, когда электрическая машина работает в сложной электромеханической или энергетической системе.
Ключевым понятием обобщенной теории является так называемая обобщенная электрическая машина [66] — математическая модель электрических машин практически всех типов, ее дифференциальные уравнения и их координатные преобразования. Дифференциальные уравнения дают более универсальное описание электрических машин, чем алгебраические: они содержат мгновенные значения переменных и справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов. Развивая идею обобщенной электрической машины, И. П. Копылов в 1963 г. разработал математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя, которая описывается дифференциальными уравнениями для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, при учете любого числа контуров обмоток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров [67].
Значительный вклад в развитие обобщенной теории, и ее использование для анализа переходных и установившихся режимов работы электрических машин, устойчивости электромеханических и энергетических систем внесли отечественные исследователи: Д. А. Бут, А. И. Важнов, В. А. Веников, И. А. Глебов, А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов, Р. А. Лютер, Л. Г. Мамиконянц, Г.А. Сипайлов, С. В. Страхов, И. И. Трещев, И. Д. Урусов, Н. Н. Щедрин, Ф. М. Юферов, А. А. Янко-Триницкий и др. [9, 10, 12, 13, 14, 15,20, 28.29.30.66, 67, 74, 75, 76, 103, 104,105,106,108,110].
Второе направление в теоретической электромеханике, основанное на теории электромагнитного поля, появилось на несколько десятилетий позже первого. Так, если первой публикацией по теории электрических машин принято считать работу Э. Арнольда, вышедшую в 1891 г., то одна из первых статей по электромеханике, посвященная расчету поля в асинхронной машине (это была статья И. С. Брука в журнале «Вестник теоретической и экспериментальной электротехники»), появилась лишь в 1928 г. [21], когда уже достаточно глубоко была разработана теория установившихся режимов электрических машин. Однако, начиная с 30-х годов XX в., это направление в теории электрических машин стремительно развивается. Причиной тому не только появление новых математических методов, а в дальнейшем - и появление новой вычислительной техники, но и возросшие требования к электрическим машинам.
Только глубокое понимание физической природы электромагнитных процессов может стать основой для создания принципиально новых электромеханических устройств. Такое глубокое понимание дает теория электромагнитного поля.
Решающее значение в области приложения теории электромагнитного поля к электромеханике имели труды Л. Р. Неймана, А. И. Вольдека, К. С. Демирчяна, В. В. Апсита, А. В. Иванова-Смоленского, Я. Б. Данилевича, Б. С. Зечихина, В. М. Юринова, Г. А. Сипайлова, О. Н. Веселовского, В. М. Казанского, А. И. Инкина и др. [2,3,4,16,17,18,19,22,23,26,27,28,29,30,36,37,38, 39,40,41,42,43,44,62,78,79,80,99,100,107].
Современная теория электромагнитного поля физически объясняет все электромагнитные процессы, протекающие в электрических цепях, и служит основой для расчета интегральных параметров цепей. И с этой точки зрения использование теории электромагнитного поля для исследования электрических машин имеет более фундаментальный характер, нежели применение теории цепей, однако в большинстве случаев задачи на основе теории поля намного сложнее задач теории цепей. Именно это обстоятельство определило область применения теории электромагнитного поля: ее использование необходимо тогда, когда перестают работать допущения, введенные на основе теории цепей. Чрезвычайную важность также имеет задача синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля. В этой задаче пересекаются теория поля и теория цепей.
Синтезу схем замещения электрических машин посвящены работы А.И. Вольдека, В. М. Юринова, В. М. Казанского, Ю. Г. Бухгольца, В.Н. Ро-дыгина, А. И. Инкина, З.С. Темляковой, Б.В. Литвинова [17,40,41,42,43,44, 62,107].
Выдающимся достижением в области синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля является методзубцовых контуров, разработанный под руководством А. В. Иванова-Смоленского [29,31].
Определение фазных токов и эквивалентных комплексных сопротивлений ТАД
В схемах типовых четырехполюсников входные и выходные значения Е и Н соответствуют непрерывным тангенциальным компонентам векторов электрической и магнитной напряженности на граничных поверхностях различных зон модели. При схемной аппроксимации совокупности различных сред каскадно соединяют в порядке их чередования в соответствии с реальной геометрией машины. Если одна из сред по отношению к другой перемещается в сторону возрастания координаты х со скоростью V, то на границе подвижной (индекс 2) и неподвижной (индекс 1) зон Ні — Н2, Еі = Е2 + V BV = E2s. В связи с этим, для определения фазных токов, составим цепную Е-Н схему замещения, соответствующую расчетной модели, при соблюдении непрерывности Е и Н в местах сопряжения четырехполюсников. Сопротивления схемы замещения движущейся среды, найденные при частоте сох =o)-s, необходимо уменьшить в s раз. Расчетная модель рассматриваемой асинхронной машины и соответствующая ей каскадная схема замещения для компонент векторов Е и Н представлена на рисунке 2.9. Схема состоит из пяти наиболее характерных зон, представленной в виде плоской развертки, а параметры Е — / четырехполюсников определяются по выражениям, рассмотренным выше. Из каскадной Е—Н схемы получаем интегральную схему замещения фазы асинхронного двигателя путем приведения к напряжению йф и току 1ф фазы двигателя ио-+ Так первая гармоническая сторонней плотности тока при диаметральной трехфазной обмотке статора определяется как:
Математическая аппроксимация активного объема асинхронных машин с беспазовым статором в силу принятых допущений не учитывает влияния на дифференциальные параметры ряда факторов, присущих реальной машине. Влияние проводимости обмотки статора и поля рассеяния ее лобовых частей учитывается путем введения сопротивления Z = Гф+ ]%фл в ветвь с источником питания, где Тф- активное сопротивление фазы обмотки статора, Хфл индуктивное сопротивление лобовых частей обмотки статора, определяемых по общеизвестным формулам. На рисунке 2.10 представлена синтезированная схема замещения торцевого асинхронного двигателя с двумя роторами симметрично расположен ными относительно статора. Данная схема получается на основе каскадной схемы замещения (рисунок 2.9.) и учета добавочного сопротивления Z. где Z 0 - общее сопротивление преобразованной схемы замещения. Таким образом, определены потребляемые токи каждой фазы торцевого асинхронного двигателя, как функциональные зависимости от геометрии машины и её обмоточных данных.
Синтезированная схема замещения торцевого асинхронного двигателя с двумя роторами, расположенными симметрично относительно статора (рисунок 2.10), наглядно отражает основные процессы, происходящие в двигателе при преобразовании энергии, и представляет собой удобную основу для исследования режимов работы машины. Рассмотрим процесс преобразования энергии при длительном режиме работы асинхронной машины, взяв за основу схему замещения, представленную на рисунке 2.10. ТАД потребляет из сети активную мощность Р± равную: Pi = miU\I\ cos (ft, (2.46) где I\ - ток, потребляемый асинхронным двигателем. Для определения тока 1\ преобразуем схему замещения (рисунок 2.10) к виду, представленному на рисунке 2.11. Потребляемый ток из сети определим как отношение питающего напряжения к общему сопротивлению схемы замещения: (2.47) где Zoguj - сопротивление преобразованной схемы замещения. Для определения механической мощности (мощность, развиваемая на роторе) необходимо в схеме замещения определить величину тока, протекающего по сопротивлению роторной цепи Z\p + Z2р Тогда механическая мощность Рмех определится как: где гр - активная составляющая сопротивления ротора. Электромагнитная мощность - мощность, переданная посредством магнитного поля со статора на ротор, по схеме замещения (рисунок 2.10) соответствует мощности выделяемой на активном сопротивлении вторичной цепи гр и определится как:
Поиск оптимальных геометрических параметров торцевого асинхронного двигателя
Целью поиска оптимальных геометрических параметров торцевого асинхронного двигателя является выбор наилучшего варианта, что подразумевает наличие критерия оптимальности — количественной оценки оптимизируемого показателя качества асинхронного двигателя. К показателям качества ТАД можно отнести: массогабаритные показатели, технологичность, пусковой и номинальный момент, КПД, и т.д. Поиск оптимальных геометрических параметров торцевого асинхронного двигателя, по разработанной математической модели, реализован в САЕ-среде в форме программного приложения, реализующего расчет интегральных параметров электромагнитного поля в активном объеме машины и выходных ее характеристик: полезной мощности, момента на валу двигателя. Расчетная модель включает блок оптимизации, позволяющий сформулировать критериальные ограничения и критерии качества, для конкретного случая, выполнить с их учетом поиск оптимального решения, а также построить трехмерную модель по выходным оптимизированным параметрам. Интерфейс расчетной модели (рисунок 6) реализован в соответствии со стандартами Windows.
Приложение позволяет вводить данные, читать их из файла, сохранять в виде документов, выводить их на печать, передавать подсистеме конструирования двигателя и твердотельного моделирования. Ввод данных защищен от ошибок пользователя стандартными средствами и специальными алгоритмами. Расчетная модель позволяет сформировать выходной поток данных: ? энергетические характеристики (мощность, момент, КПД, ток статор-ной обмотки); ? массогабаритные показатели, необходимые для производителя машины (массы электротехнической стали, обмоточной меди, масса алюминия) ? массогабаритные показатели, необходимые для потребителя (общая масса машины ее габаритные размеры); ? геометрические параметры машины (внутренний активный диаметр, активная длина статора и ротора, диаметр обмоточного провода, количество витков обмотки статора, высота ярма ротора, воздушный зазор); ? конструктивные параметры машины (число пазов, число полюсов, размеры полюсов, количество зубцов в обмоточном модуле). Входным потоком для алгоритма оптимизации является коллекция работоспособных вариантов машин, в виде совокупностей их параметров, полученных в результате использования расчетной модели двигателя. Процесс формирования коллекции представляет собой набор последовательно вложенных друг в друга циклов, в которых перебираются все варианты сочетаний варьируемых параметров. Это возможно реализовать в программном коде, поскольку любой варьируемый параметр всегда имеет заданные для него границы, за которые он выходить не может, а также, ряд дискретных значений, которые он может принимать. Выбраны варьируемые параметры для поиска оптимальной геометрии ТАД и его выходных характеристик: Внутренний активный диаметр Z)., Активная длина машины ls, Воздушный рабочий зазор 5, Индукция в зазоре машины Bs, Плотность тока в проводниках обмотки статора j, Плотность тока в стержне ротора Jx Плотность тока в кольце ротора Jk2, Индукция в магнитопроводе машины Bj. Качественные характеристики и количественная величина влияния каждого из перечисленных варьируемых параметров на характеристики двигателя зависят от того, какое значение имеют при этом остальные параметры. На первом этапе пользователь устанавливает значения параметрических ограничений для варьируемых параметров и шаг изменения. Программа автоматически формирует множество решений, удовлетворяющих заданным ограничениям. На втором этапе, основываясь на коллекции допустимых решений, назначаются значения каждого критерия качества и приоритеты, которые устанавливают значимость каждого из критериев. В качестве критериев качества приняты: -масса активных материалов GaKmue = f(D{,16,В3, , , j,S) -» min, -кратность пускового момента Кп = /ф{,1а,В3 х ш,],д) - max, -кратность максимального момента Кмах = f{D{,ls,Bs,J,,Jnj,S) - max, -номинальное скольжение sHaH =/( ,/ , ,7,,7 ,7, ) - min, После автоматической проверки полученного множества на непустоту, на выходе получается ранжированная коллекция, с минимальным количеством решений, удовлетворяющих всем ограничениям и критериям качества.
Если коллекция окажется недостаточно минимизированной, ранжирование можно повторить, назначая более строгие ограничения и, наоборот. Когда коллекция минимизирована в достаточной степени, пользователь выбирает из неё окончательные варианты и сохраняет их в файле или передает на моделирование. Для примера приведены результаты оптимизации торцевого асинхронного двигателя со следующими номинальными данными: Мощность Рн =1500, Вт; Напряжение UH = 220, В; Число фаз т = 3; Частота питающей сети / = 50 Гц; Число пар полюсов р = 6. Коллекция допустимых решений, полученная в результате синтеза переменных параметров двигателя представлена на рисунке 3.2. Из текущей коллекции конструктор выбирает оптимальный вариант и передает результаты оптимизационного расчета на геометрическое моделирование или выводит выходные параметры на экран (рисунок 3.3)
Моделирование электромагнитных процессов в торцевом асинхронном двигателе
В настоящее время произведено достаточно большое количество расчетов по определению ЭМС с помощью программы ANSYS и сравнение их с экспериментальными данными. Различие между расчетными значениями и экспериментальными данными составляет не более 4-5%, поэтому применение этой программы для расчета электромагнитного поля электрических машин оправдано.
При электромагнитном моделировании применяется программа ANSYS-Emag версии 10.0, как одна из последних модификаций ANSYS. В большинстве проводимых исследований в среде ANSYS пользователи сводят свою задачу к плоско-параллельной модели. Такое моделирование наиболее простое и, наименее трудоемкое в плане построения сеточного разбиения модели, использования ресурсов персонального компьютера для процессорной обработки данных. Однако, при таком подходе к исследованию модели, вводится ряд допущений, что является существенным недостатком в полученных результатах и наглядной картине распределения поля. В нашем же случае применение плоско-параллельной задачи невозможно из-за специфически сложной геометрической модели. ANSYS позволяет решать трехмерные полевые задачи, но для решения трехмерной полевой задачи, постановка которой имеет меньше допущений, необходимо использовать гораздо более мощные вычислительные машины или работу нескольких машин в сети. Так как ресурсы вычислительной техники ограничены, воспользуемся некоторыми незначительными упрощениями твердотельной модели, которые практически не повлияют на результаты расчетов.
Анализ, который проводится с помощью программы ANSYS, состоит из трех стадий: препроцессорная подготовка, решение задачи (процессорная стадия) и постпроцессорная обработка результатов расчета.
На стадии препроцессорной подготовки задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает тип анализа, координатную систему и типы конечных элементов, создает геометрию, указывает физические свойства материалов, назначает элементам геометрической конструкции свойства материалов, строит сетку конечных элементов и, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает нагрузки и граничные условия.
Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке, становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена на таблицы координатных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых точек, узлов сетки, нагрузок и т.д.
Программа ANSYS снабжена обширным набором средств для создания геометрической модели, что позволяет строить конечно-элементную модель реальной инженерной системы. Существуют несколько разных способов генерации модели: импорт модели и непосредственное создание модели. Каждый из методов обладает только ему присущими возможностями и преимуществами. Непосредственное создание модели подразумевает работу с геометрическими примитивами и средствами добавления и удаления их из модели. В программе ANSYS можно легко и быстро определить такие формы, как окружности и прямоугольники в двумерном случае или параллелепипеды, сферы, конусы и цилиндры — в трехмерном. После того как геометрические объекты созданы, к ним можно применять операции булевой алгебры. Программа имеет полный набор таких булевых операций, как сложение, вычитание, пересечение, деление, склеивание и объединение.
Опыт показывает, что значительно проще импортировать в ANSYS готовую геометрическую модель в формате Parasolid, созданную, например, с применением пакета Solid Works. Программа Solid Works - это система автоматизированного проектирования, использующая графический интерфейс пользователя Microsoft Windows. Эта программа позволяет быстро создавать эскизы элемента с необходимыми размерами. После вытягивания первоначального эскиза получается трехмерный объект. Из этого трехмерного объекта по средствам сопряжения создаются различные компоненты для создания трехмерных сборок.
При импортировании геометрии пользователь имеет возможность управлять значениями допусков на геометрическую точность объектов модели, выявлять проблемные области и возможные ошибки.
Для решения задачи электромагнитного преобразования энергии в двигателе была разработана численная модель, которая позволяет произвести корректный расчет электромагнитного поля в трехмерной постановке с учетом всех основных особенностей торцевого асинхронного двигателя. По выходным данным численного расчета была создана параметрическая трехмерная модель расчетной области ТАД с приемлемой аппроксимацией исходной геометрии.
Задача электромагнитного преобразования энергии в двигателе решается в расчетной области, представленной на рисунке 4.1. Основными элементами рассматриваемой задачи являются: ротор 1 с короткозамкнутыми обмотками и статор с обмоточными модулями 2.
Ввиду сложности учета всех деталей реальной геометрии конструкции, свойств материалов и ограниченности вычислительных возможностей для решения нестационарной трехмерной электромагнитной задачи используются следующие допущения, которые незначительно влияют на результаты электромагнитного расчета.
