Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительная роль в реализации успешного развития экономики и повышения производительности труда принадлежит электромашиностроению, продукция которого используется как в сложных системах электропривода, так и в бытовой технике.
Наряду с применением полупроводниковых приборов и вычислительной техники, важным направлением совершенствования современных систем электропривода является использование в них специальных электрических машин нетрадиционных конструкций, позволяющих получить необходимые характеристики электропривода простыми средствами с одновременным снижением стоимости и повышением надежности.
Широкое внедрение систем автоматики и робототехники в различных отраслях хозяйства обусловило интенсивный рост потребности в электрических машинах малой мощности, увеличение объема производства которых невозможно без решения актуальных задач: дальнейшего совершенствования и разработки принципиально новых конструкций, применения прогрессивных технологий их изготовления и использования электротехнических материалов с улучшенными характеристиками.
В этой связи представляется весьма перспективной разработка малоотходных и безотходных технологий изготовления деталей электрических машин методами порошковой металлургии.
Особенности технологического процесса изготовления деталей из металлического порошка обусловливает появление определенных, порой весьма существенных изменений в конструкции электрических машин и структуры ее материалов, что позволяет рассматривать эти машины как специальные.
Проявлением конструктивных особенностей специальных электрических машин являются различные виды параметрической асимметрии, искажающие характер распределения магнитного поля в воздушном зазоре. В этом случае магнитное поле машины может рассматриваться как спектр взаимодействующих между собой пространственных гармоник, параметры которых определяются не только распределением токовой нагрузки статора, но и режимом работы электрической машины. В результате коэффициенты уравнений электромеханического преобразователя энергии не остаются постоянными и их точное определение возможно лишь при известном характере распределения магнитного поля для заданного режима работы.
Учитывая, что при сложном характере асимметрии пространственное распределение магнитного поля зачастую неизвестно, использова-
ниє существующих математических моделей для исследования специальных электрических машин и их реализация применительно к электрическим машинам различных конструкционных модификаций сопряжено со значительными трудностями. Кроме того, указанные модели не дают возможности комплексного решения задачи по расчету магнитных полей, рабочих характеристик и электромагнитных переходных процессов, необходимого при проектировании и конструировании специальных электрических машин, а также систем электропривода с их использованием.
Эти обстоятельства делают весьма актуальными вопросы разработки новых, нетрадиционных подходов к решению сложных задач электродинамики, а именно - созданию универсальной математической модели, позволяющей исследовать электромагнитные процессы и рассчитывать магнитные поля специальных электрических машин с учетом их конструктивных особенностей по единой методике.
Вопросам разработки такой модели и ее использования для моделирования и исследования специальных электрических машин и посвящена данная диссертация.
Разработка указанной модели оказалась бы невозможной без фундаментальной научной базы в виде трудов отечественных ученых: Ада-менкоА.И., Беспалова В.Я., Важнова А.И., Васильевского СП., Воль-дека А.И., Глебова И.А., Глухиевского л.И., Данилевича Я.Б., Демир-чяна К.С., Домбровского В.В., Иванова-Смоленского А.В., Ильинского Н.Ф., Казовского Е.Я., Кононенко Е.В., Копылова И.П., Костенко М.П., Нетушила А.В., Иетленко Б.И., Петрова Г.Н., Петрова Л.П., Пластуна А.Т., Постникова И.М., Резина М.Г., Сарапулова Ф.Н., Сивокобыленко В.Ф., Сидельникова Б.В., Синельникова Е.М., Сипайлова Г.А., Сиунова Н.С., Соколова М.М., Стрельбщкого Э.К., Сыромятникова И.А., Фильца Р.В., Хрущева В.В., Чабана В.И., Шакаряна Ю.Г., Щулакова НЛЗ., Ян-ко-Триницкого А.А. и многих других.
Большой вклад в развитие теории электрических машин и их математического описания внесли иностранные ученые: Адкинс К., Блондель А., Вудсон Г., Габбе В., Кларк Э., Ковач К., Крон Г., Лайон В., Парк Р., Рац И., Рихтер Р., Рюденберг Р., Стэнли Г., Уайт Д. и другие.
Математическая теория линейных индукционных машин создана трудами отечественных и зарубежных ученых, среди них: Андреев A.M., Валдманис Я.Я., Винокуров В.А., Вольдек А.И., Дъяков В.И., Огарков Е.М., Охременко М.Н., Петленко Б.И., Ращепкин А.П., Резин М.Г., Са-рапулов Ф.Н., Скобелев В.Е., Сорокин Л.К., Тийсмус Х.А., Штурман
Г.И., Лайтвайт S., Насар С.А., Оберретль К., Полуядофф М., Сабон-надье И.О., Тиммель Г., Ямамура С. и другие.
В диссертации отражены результаты научно-исследовательских и госбюджетных работ, выполняемых с 1973 года по настоящее время при непосредственном участии автора по следующим приоритетным направлениям:
математическое моделирование линейных индукционных машин и систем электропривода на их основе (научно-техническая проблема 0.54.09, США);
математическое моделирование и исследование специальных электрических машин для приборов и устройств бытовой техники (Приказ Министра электротехнической промышленности от 12.05.85 г. "Об организации работ по освоению производства электродвигателей с малоотходным магнитопроводом для бытовых стиральных нашин" и письмо Минвуза РСССР от 27.12.85 г. "О расширении сотрудничества министерства электротехнической промышленности с Минвузом РС5СР");
исследование возможности применения порошковых и композиционных материалов в электромашиностроении (Приказ Министра электротехнической промышленности от 09.09.82 г. "О дополнительных мерах по развитию порошковой металлургии з электротехнической промышленности").
Целью диссертационной работы является разработка универсальной математической модели, позволяющей по единой методике исследовать электромагнитные полл, процессы, характеристики и параметры специальных электрических индукционных машин различных модификаций, а гакЯе ее использование при исследовании этих машин. Для достижения указанной цели решены следующие конкретные задачи:
на основе уравнений Максвелла представлено математическое описание магнитных и электрических полей специальных электрических машин для стационарных и динамических режимов в терминах обобщенных функций;
выбраны и обоснованы рациональные методы решения уравнений в частных производных с заданием источников и стоков уравнений в виде линейных и фазных напряжений сети, а также построены соответствующие им алгоритмы вычислений;
разработаны математические модели, произведен расчет и выполнено исследование магнитных пол^й, рабочих характеристик, электромагнитных и электромеханических Переходных процессов линейных индукционных машин с бесконечно длинным и коротким рабочим телом;
реализованы математические модели специальных электрических машин с асимметрией магнитных и электрических цепей, рассчитаны магнитные поля и выявлены особенности их распределения по сравнению с симметричными машинами;
предложена математическая модель и способы ее реализации для электрических машин с неоднородной структурой материала магнитопро-вода, получаемого методами порошковой металлургии, произведено исследование магнитных полей и характеристик машины, а также показано влияние на них неоднородности структуры материала.
Методы решения поставленных задач предполагают широкое использование уравнений математической физики, классической электродинамики, теории электромагнитного поля, электрических машин и цепей. Разработка математических моделей потребовала привлечения современного математического аппарата; теории обобщенных функций, конечно-разностных методов решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, прямых и итерационных методов решения систем алгебраических уравнений, различных вариантов прогонки, быстрого дискретного преобразования Зурье» Для исследования анализа электромагнитных процессов и способов квантования непрерывных величин широко использовались элементы теории автоматического управления, классических методов решения дифференциальных уравнений, гармонического и векторного анализа, симметричных составляющих, функциональных и тригонометрических рядов.
Достоверность результатов работы и оценка их точности подтверждается сравнением с экспериментальными данными, полученными автором данной работы, теоретическими и экспериментальными исследованиями авторов других работ, а также строгостью и обоснованностью основных положений и допущений, положенных в основу математических моделей.
Научная новизна работы представлена разработкой теоретических положений, лежащих в основе обобщенных дискретно-полевых моделей специальных электрических машин. Используемый в них математический аппарат эффективен для описания дискретно—распределенных в пространстве величин и удобен для реализации на ЭЦВМ.
Предлозенные автором математические модели линейных индукционных машин с бесконечно длинным рабочим телом впервые позволили описать и исследовать динамические режима этих машин с учетом особенностей их конструкцій. Впервые показано, что магнитная асимметрия, обусловленная разомкнутостью магнитопровода, при скоростях
движения рабочего тела, отличных от нуля, вызывает появление составляющей электромагнитного усилия двойной частоты. Эта составляющая имеет место как в динамических, так и стационарных режимах, а ее амплитуда растет с увеличением скорости движения рабочего тела.
Впервые произведено теоретическое исследование динамических режимов линейных индукционных машин с коротким рабочим телом, обладающих как магнитной, так и электрической асимметрией. Показано, что в отличие от машин с бесконечно длинным рабочим телом, составляющая электромагнитного усилия двойной частоты имеет место как при движении, гак и неподвижном состоянии рабочего тела. Вскрыт механизм особенности электромеханических переходных процессов - наличия пульсации тока статора при движении рабочего тела в зазоре индуктора.
Путем математического моделирования однофазных индукционных машин с асимметрией магнитных цепей показана возможность и условия возникновения бегущего магнитного поля и обусловленного им пускового электромагнитного усилия. Магнигнач асимметрия может быть реализована как за счет различной величины воздушного зазора на каждом полюсном делении, так и за счет различного сечения ярма статора.
Впервые предложена конструкция, одно- и двухмерная модели однофазного моментного двигателя для стабилизации объектов з пространстве с асимметрией ротора. Исследовано распределение магнитного соля, плотности тока и электромагнитного усилия по длине окружності! ротора, рассчитаны интегральные характеристики, подтверждающие стабилизационную возшжность этих машин. Показана возможность применения разработанных моделей для исследования электромагнитных процессов и характеристик электрических машин с полым немагнитным ротором.
Разработана принципиально новая конструкция и технология изготовления магнитопроводов электрических машин малой мощности из порошковых ферромагнитных материалов.
Впервые предложен, подтвержден путем моделирования и экспериментально способ улучшения характеристик ферромагнитных композиционных материалов за счет создания в них неоднородной структуры.
Исследованы вопросы возникновения неоднородности структуры материала при прессовании заготовок из ферромагнитного порошка. Впервые разработана методика расчета и математическое описание характеристик получаемого при этом материала. Впервые представлены результаты математического моделирования асинхронных двигателей обращен-
ной конструкции с массивным ротором из ферромагнитного материала неоднородной структуры. Исследовано распределение магнитного поля, плотности тока в объеме ротора и выявлено влияние неоднородности материала на характеристики и параметры двигателя.
Научная новизна и оригинальность научных разработок автора подтверждены 27 авторскими свидетельствами СССР и б патентами.
Практическая ценность работы определяется результатом решения важной научной проблемы - разработки универсальной математической модели специальных электрических машин, дающей возможность расчета, проектирования, исследования полей и характеристик,-оптимизации параметров электрических машин различной конструкции , а также систем электропривода с их использованием.
Универсальная модель трансформирована в простые и удобные для реализации математические модели электрических машин с разомкнутым магнитопроводом, асимметрией магнитных и электрических полей, неоднородной структурой ферромагнитных материалов,* а также машин традиционных конструкций. Разработаны и реализованы программы расчета статических и динамических режимов этих машин на ЭЦВМ, произведены расчеты магнитных полей и рабочих характеристик, а также даны рекомендации по совершенствованию их конструкций-
Важное практическое значение имеют представленные автором нетрадиционные конструкции и безотходная технология изготовления маг-нитопроводов электрических машин методами порошковой металлургии. Перспективным направлением совершенствования характеристик ферромагнитных композиционных материалов является разработанный автором метод создания неоднородности их отруктурн в процессе изготовления магнитопроводов. Метода математического моделирования электрических машин с неоднородной структурой их материалов могут найти самое широкое применение при расчетах и проектировании таких машин.
Реализация результатов работы. Методы математического моделирования и математические модели, представленные в диссертации, являются теоретической основой для исследования электромагнитных процессов и магнитных полей специальных электрических машин. Они были использованы автором при:
разработке и исследовании электропривода транспортных систем особого назначения предприятий химической промышленности;
проектировании модульной высокоскоростной транспортной системы оборонных объектов;
разработке энергетических систем с кинетическими накопителями энергии;
исследовании возможности применения порошковых материалов для изготовления магнитопровода электродвигателей изделия 812 на Пермском электротехническом заводе;
модернизации коллекторного электродвигателя переменного тока типа КС-04 и асинхронного короткозамкнутого двигателя типа АПН-І2 для машин и устройств бытовой техники;
проектировании двухскоростного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя типа ДАК-Т60 электропривода бытовых стиральных машин.
Диссертационная работа является составной частью приоритетного научного направления государственного комитета по делам науки и высшей школы Российской Федерации "Новые высокотехнологичные энергосберегающие электротехнические материалы, аппараты, устройства и системы".
Материалы диссертации используются в учебной и научной работе ПГТУ.
Использование разработанных в диссертации методов математического моделирования с реальным годовым экономическим эффектом 540360 рублей в масштабах цен 1988 года подтверждено актами внедрения и использования научных разработок автора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Концепция универсальной математической модели специальных индукционных электрических машин, позволяющей исследовать их стационарные и переходные процессы.
-
Безытерационный метод расчета фазных токов индукционной машины в стационарных режимах при питании ее обмоток от источников Фазных и линейных напряжений.
-
Одно- и двухмерные дискретно-полевые модели линейных индукционных машин с бесконечно длинным рабочим телом, дающие возможность оценки влияния конструктивных особенностей этих машин на их рабочие характеристики.
-
Способ реализации условия замкнутости вторичных токов и математическая модель линейной индукционной машины с коротким рабочим телом.
-
Результаты математического моделирования и особенности протекания электромеханических переходных процессов линейных индукционных машин с коротким рабочим телом.
-
Метод математического моделирования линейных индукционных машин с асимметрией статорних цепей и особенности диодно-тиристор-
ного управления, характерные для машин с разомкнутым магнитопрово-дом.
-
Результаты математического моделирования электромагнитных процессов и характеристик однофазных индукционных машин с асимметрией магнитных цепей.
-
Одно- и двухмерные модели однофазных индукционных машин с асимметрией роторных цепей; результаты расчета магнитного поля, плотности тока ротора, электромагнитного усилия; зависимость электромагнитного усилия от пространственного смещения ротора.
-
Способ создания композиционных ферромагнитных материалов с неоднородной структурой методами порошковой металлургии и методика расчета их характеристик на основе решения полевой задачи.
10. Математическая модель индукционной машины с неоднородной
структурой материала ротора и результаты исследования влияния неод
нородности на характер распределения магнитного поля и параметры
работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на УІ, УП, УШ Таллинских совещаниях по электромагнитным расходомерам и электротехнике жидких проводников (г.Таллин, 1973, 1976, 1979);
на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и магнитогидродинамическому электроприводу (г.Таллин, 1981);
на Всесоюзной конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" (г.Грозный, 1982);
на Всесоюзном совещании Минэлектротехпрома "Состояние и перспективы развития порошковых магнигопроводов в электротехнике" (г.Полтава, 1988);
на Всесоюзной конференции с международным участием "Современные проблемы электромеханики" (г.Москва, 1989);
на Всесоюзной подотраслевой научно-технической конференции "Проблемы эжектромашиностроения" (г.С-Петербург, 1991);
ка международном научно-техническом семинаре "Электромеханические системы с комвьютерным управлением на автотранспортных средствах и роботизированном производстве" (г.Суздаль, 1993);
на I Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (г.Суздаль, 1994);
на научно-технических конференциях по автоматизации технологических процессов и промышленных установок (т.Пермь, 1977, 1979, 1984).
Публикации» Список научных трудов по работе составляет 81 наименование. Из них: 40 научных статей, 27 авторских свидетельств СССР, 6 патентов Российской Федерации, 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Стсгкгура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, исги глав, заключения, списка литературы из 311 наименований и четырех приложений, изложена на 223 страницах машинописного текста, имеет 160 рисунков и 10 таблиц.
