Введение к работе
з
Актуальность темы. В настоящее время ОАО ЭЛСИБ (г. Новосибирск) и другими электромашиностроительными предприятиями России выпускаются электрические машины, особенности конструкции которых требуют существенных уточнений, а в ряде случаев разработки новых методик их электромагнитного расчета, что предопределяет актуальность постановки и решения новых теоретических и научно-исследовательских задач. На современном этапе развитігя электрических машин, как показывает анализ научно-технической литературы, к содержанию и форме представления результатов решения таких задач предъявляется комплекс требований, в частности:
на основе современного знания и с использованием современных инструментальных средств отражать электромагнитные процессы;
обладать наглядностью и возможностью установления связей с традиционными для классической теории электрических машин формами представления аналитических выражений и приемами моделирования;
достаточно легко состыковываться с другими моделями, которые широко используются при проектировании электрических машин.
Рассмотренная в диссертационной работе задача исследования магнитного поля сформулирована в контексте проблемы совершенствования методов электромагнитного расчета асинхронных машин. Классическая теория электрических машин использует одно из основополагающих понятий "индуктивность пазового рассеяния". При определении этого базового параметра обычно исходят из расчета стационарного одномерного магнитного поля в пазах с допущением об идеализации магнитопровода и с последующим уточнением результатов, учитывающим эффекты искажения поля в областях пазов, прилегающих к воздушному зазору. Во всех случаях энергетическое состояние паза (а следовательно, и индуктивность пазового рассеяния) традиционно характеризуется единственной составляющей энергии магнитного поля, которая определяется путем интегрирования удельной энергии по объему. Представление об энергетическом состоянии паза со сторонними токами может быть расширено и практически использовано за счет введения понятия о составляющих магнитной энергии паза, имеющих наглядный физический смысл. Тема диссертационной работы сформулирована в рамках исследований, проводимых в Новосибирском государственном техническом университете в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (тема 1.23.97Д).
Цель работы. Математическое моделирование стационарного магнитного поля паза статора асинхронной машины при различных гранич-
ных условиях с целью определения и анализа параметров паза - индуктивности, коэффициента магнитной проводимости.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
исследовать магнитное поле в локальной области активного объема электрической машины "занятая током часть паза - шлицевая зона -воздушный зазор" в пределах зубцового деления статора численным методом и определить приближенные граничные условия для занятой током части паза с целью решения уравнения Пуассона аналитическим методом;
решить уравнение Пуассона для расчетной модели паза статора аналитическим методом при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определить расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности, коэффициента магнитной проводимости;
выбрав в качества критерия оценки значения магнитной энергии, определенные на основе численного и аналитического методов, установить диапазоны соотношений геометрических размеров расчетных моделей, при которых приближенные аналитические выражения обеспечивают высокую точность количественного определения параметров пазов;
определить закон омерность влияния относительного открытия на коэффициент магнитной проводимости пазов различной конфигурации, обеспечив физически наглядную интерпретацию с помощью картин магнитного поля; обеспечить систему компьютерной поддержки электромагнитного расчета, базирующегося на использовании каскадной схемы замещения трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя, параметры которой учитывают двумерный характер магнитного поля пгіза статора.
Методы исследования: аналитические и численные методы решения уравнений электродинамики; методы математического эксперимента; тра-диционн ые принципы и методы решения научно-исследовательских и инженерно-исследовательских задач; методы снстемлого и ретроспективного анализа. При разработке программного обеспечения использованы язык программирования Visual C+ + 5.0 и пакет прикладных программ MathCAD 7.0. Расчет магнитного поля методом конечных элементов выполнен с использованием подхода, реализованного в пакете TELMA (разработка кафедры прикладной математики НГТУ).
Научная новизна работы 1. На основе исследования магнитного поля в локальной области активного объема электрической машины "занятая током часть паза - шлицевая зона - воздушный зазор" в пределах зубцового деления статора методом
конечных элементов определены допущения, принимаемые при формировании приближенных граничных условий для занятой током части паза при решении уравнения Пуассона аналитическим методом.
-
Получено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчетной модели паза статора при различных граничных условиях в области шлицевой зоны, на основе которого определены расчетные формулы магнитной энергии, индуктивности и коэффициента магнитной проводимости.
-
По результатам исследования стационарного магнитного поля аналитическим и численным методами определены условия, при которых приближенные аналитические выражения магнитной анергии обеспечивают высокую точность количественного определения индуктивности и коэффициента магнитной проводимости паза. Исследовано влияние относительного открытия на коэффициент магнитной проводимости пазов различной геометрической формы.
Практическая ценность работы
-
В функции ряда переменных определены семейства зависимостей, устанавливающих характер распределения касательной и нормальной составляющих, модуля магнитной напряженности неї линии разграничения занятой током области паза и шлицевой зоны; зависимости магнитной энергии занятой током части паза, соответствующие различным граничным условиям.
-
Получены семейства зависимостей коэффициента магнитной проводимости пазов различной геометрической формы, его составляющих и их отношения в функция определяющих факторов. Характерные тенденции зависимостей физически наглядно интерпретированы картинами магнитных полей, представленных в виде линяй равного уровня векторного магнитного потенциала и его составляющих.
-
Усовершенствована методика и программное обеспечение электромагнитного расчета трехфазных асинхронных корсткозамкнутых двигателей, базирующегося на использовании каскадной схемы замещения.
Реализация результатов работы. Основные: результаты диссертационной работы использованы при выполнении госбюджетноіі темы НҐТУ.1.23.97Д. Внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс Новосибирского государственного технического университета и на ОАО ЭЛСИБ подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции "Современные проблемы технических наук" (г. Новосибирск, 1995 г.); втором российско-корейском международном научно-техническом симпозиуме "KORUS '98" (г. Томск, 1998 г.); третьем российско-корейском мекдупародном научно-
техническом симпозиуме "KORUS '99" (г. Новосибирск, 1999 г.); научных семинарах кафедры электромеханики Новосибирского государственного технического университета (г. Новосибирск, 1995-1999 г.г.).
Публикации. По результатам выполненных научных исследований опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 136 страниц основного текста, 27 таблиц, 78 рисунков, список литературы из 143 наименований и 1 приложение.
