Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задач расчета магнитного поля, э.д.с. якоря, синтеза конфигурации зубца индуктора, рас чета нормального усилия 8
1.1. Магнитное поле в ОЛВД 8
1.2. Э.д.с. обмотки якоря 17
1.3. Синтез конфигурации зубца индуктора 19
1.4. Нормальное усилие 24
2. Алгоритм и программа расчета магнитного поля с решением системы нелинейных уравнений методом ПВР - Ньютона 35
3. Расчет магнитного поля ОЛОД и э.д.с. обмотки якоря 49
3.1. Расчет магнитного поля в базовом сечении... 49
3.2. Расчет магнитного поля в продольном сечении 60
3.3. Расчет э.д.с. обмотки якоря 65
4. Синтез конфигурации зубца индуктора 73
4.1. Определение функции цели, независимых параметров и ограничений 73
4.2. Выбор алгоритма синтеза , разработка программы синтеза конфигурации зубца 83
5. Расчет и анализ нормальных сил в ОЛВД . 89
5.1. Расчет нормальных сил 89
5.2. Анализ пульсаций нормального усилия 108
6. Экспериментальные исследования статической модели ОЛВД П8
в.I. Конструкция статической модели ОЛВД 118
6.2. Стенд для исследований статической модели ОЛВД 120
6.3. Методика магнитных измерений и измерений сил в статической модели 125
6.4. Исследование нормальных сил в статической модели. 130
6.5. Исследование пульсаций стягового усилия 135
6.6. Исследование потоков рассеяния элементов магнитной системы статической модели 140
6.7. Исследование магнитных потерь в сердечнике оо округлением контура угловых частвй 144
Заключение 150
Литература 152
Приложения. 156
- Э.д.с. обмотки якоря
- Расчет магнитного поля в продольном сечении
- Выбор алгоритма синтеза , разработка программы синтеза конфигурации зубца
- Анализ пульсаций нормального усилия
Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию магнитной системы одностороннего линейного индукторного двигателя ( ОЛВД ). В результате исследований, проведенных в НЇЇИ, ВЭлНИИ, ФИ?, Англии 2, 4, 5] представляется весьма перспективным применение ОЛВД в качестве тягового агрегата транспортных устройств высокоскоростного наземного транспорта ( BGHT ).
Настоятельная необходимость повышения провозной способности пассажирских транспортных систем явилась причиной иненсяфикацяи научных исследований и разработок в области ВСНТ. В "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР", утвержденных ХХУТ съездом КПСС, не случайно сделан акцент на необходимости развития научных разработок в направлении создания принципиально новых средств пассажирских перевозок ГIJ . Это вызвано все возрастающим объемом пассажирских перевозок как в СССР так и за рубежом. В настоящее время на земном шаре перевозится почти 900 млрд. пассажиров, из них более 200 млрд. во внегородском транспорте [ЗІ .
Выоокие темпы развития экономики нашей страны создали благоприятные условия для развития транспорта, с другой стороны это же развитие экономики требует все больших и больших объемов перевозок как грузовых, так и пассажирских. Хотя удельный вес пассажирских перевозок незначителен в общей работе транс -порта, он имеет более высокую удельную потребность в транспортной сети. Например , пропуск одного пассажирского состава по двухпутному железнодорожному пути равносилен снятию двух грузовых поездов с линии, а ведь вес пассажирского поезда во много раз меньше грузового.
Следует иметь в виду также, что с ростом благосостояния людей потребность в пассажирских перевозках постоянно возрастает. За последние 20 лет транспортная подвижность населения возросла с I тыс. пассажир - км. на одного жителя до 2,9 тыс. пассажиро - км в нашей стране . В последнее время прирост пассажирооборота железных дорог составляет около 48 млрд. пассажиро - км за пятилетие, из них примерно 30 млрд. приходится на дальние сообщения. По советским железнодорожным магистралям ежесуточно курсирует 1000 дальних и местных и почти 9000 пригородных поездов.
По мнению специалистов, перспективному росту пассажирских перевозок будет способствовать не рост численности на -селения, а рост его транспортной подвижности . Ожидается, что к 1990 году каждый житель нашей страны будет наезжать 5-5,5 тыс . пассажиро - км ежегодно [з] . Это будет обусловлено как ростом благосостояния людей, так и повышением провозной способности всех видов транспорта.
Как и прежде, наиболее ускоренными темпами будет возрастать спрос на те виды транспорта, которые обеспечат пассажирам высокие скорости и комфорт ІЗ , 6 , Л . Наиболее характерной тенденцией развития всех видов пассажирского транспорта является увеличение скорости и комфортабельности сообщения.
С этой точки зрения перспективными в настоящее время представляются воздушный транспорт и высокоскоростной наземный транспорт с магнитным подвешиванием экипажей и линейшми электрическими двигателями . У воздушного транспорта имеются факторы, которые могут сдерживать в будущем его развитие: отрицательные экологические характеристики воздушного транспорта, угроза "воздушных пробок" в крупных аэро -портах, влияние на регулярность рейсов погодных условий.
Например, в одном из наиболее мощных авиатранспортных узлов ФРГ - аэропорте Франкфурте - на - Майне в течение часа производится до 55 взлетов и посадок, В аэропорту Внуково каждые 2-3 минуты производится взлет и посадка самолета [з\. В железнодорожном пассажирском сообщении повышение скорости поездов с целью увеличения провозной способности до 200 - 250 км / час связано с решением многих сложных научно - технических а также эксплуатационных проблем. Причем, имеются факторы, сдерживающие развитие железнодорожного транспорта в этом направлении: высокая стоимость содержания железнодорожного полотна и то обстоятельство, что скорости порядка 250 км / час являются предельными для экипажей, имеющих традиционное механическое сцеплене колеса с рельсом.
Э.д.с. обмотки якоря
Магнитная система ОЛВД включает в себя сердечник индук -тора и сердечники вторичных элементов ( рис, І.І ). Сердеч -ник индуктора ( I ) П - образной формы выполнен из электротехнической, стали способом намотки, на боковинах индуктора рас -полагаются обмотки возбуждения ( 2 ) и якорные ( 3 ). Ка -тушки якорной обмотки располагаются в пазах, профрезерованных в боковинах индуктора. Сердечники вторичных элементов также И - образной формы не имеют обмоток. Вторичные элементы образуют вторичную структуру ОЛВД, в которой они располагаются с шагом «? , Продольная длина ( вдоль оси Z рис, 1,1 ) вторичных элементов находится в пределах ( 0,8 - 1,0 )Т Про -дольная длина сердечника индуктора равна 2С или немного меньше.
Магнитные системы большинства электрических машин и электромагнитных механизмов имеют конструкции, к которым с достаточной строгостью можно применить понятие плоскопараллель -ности магнитного поля в системе. При таком подходе решается плоская задача расчета магнитного поля в одном из сечений магнитной системы и результаты решения распространяются на всю длину магнитной сийтемы вдоль оси, перпендикулярной рассмотренному сечению.
При этом пренебрегается влиянием торцевых и угловых частей сердечников на характер поля в рассматриваемом сече -нии. Основными препятствиями на пути применения таких ме тоцов для расчета магнитной системы ОЛВД являются: I) неодинаковая продольная длина сердечников индуктора и вто ричного элемента, 2) наличие пазов в боковинах индуктора. В магнитной системе ОЛВД можно выделить как области, в котрых магнитное поле является плоскопараллельным, так и области, в которых имеет место явно выраженный объемный Характер распределения поля.
Обратимся к рис. 1.2. Рассмотрим такое состояние магнитной системы, когда вторичный элемент находится над серединой индуктора. Такое взаимное положение вторичного элемента и индуктора выбрано потому, что при этом имеет место наибольшая н.с. в контуре замыкания основного маг « нитного потока ОЛВД из - за насыщения среднего зубца бо -ковйны индуктора, а именно это значение н.с. в электромагнитных механизмах представляет наибольший интерес. Маг -нитное поле в сечении плоскостью параллельной ОХУ ( плос кость I рис. 1.2 ) в пределах длины вторичного элемента вдоль оси Z будет шюскопараллельным, т.к. . Так же плоскопараллельным будет магнитное поле в сечении II (рис. 1.2 ) на участке от торца вторичного элемента до точки U , лежащей на некотором расстоянии от торца сердечника индук «-тора. Подробно об определении расстояния от торца сердечника индуктора до точки О. , где магнитное поле в.сечении 12-становится плоскопараллельным изложено в главе 3. В областях же, прилежащих к торцевым частям вторичного элемента и ин -дуктора (поверхности А и В рис. 1.2 ) распределение магнитного поля носит явно выраженный объемный характер. Следова -тельно, в расчтах магнитного поля ОЛВД не представляется возможным распространить на всю магнитную систему результа ты расчетов поля в одном из сечений магнитной системы. Необ -ходим учет влияния на магнитное состояние участков магнито -провода полей в области торцов и углов сердечников. Кроме того, объемный характер распределения поля имеет место в об -ласти пазов боковин индуктора. На первый взгляд радикальным путем решения указанной проблемы является расчет магнитного поля в трехмерной расчетной области. Однако, при этом имеет место следующие трудности: магяитопровод ОЛЦД имеет сложную конфигурацию, имеет большое количество обмоток различного назначения и конструкции ( в самом простом случае 8 ) Пред -лагаемые же в настоящее время расчетные методы для трехмерных полей базируются на использовании разбиения расчетной области на различные конечные элементы с формированием расчетных уравнений исходя из различных физических концепций, на -пример, минимизации нелинейного энергетического функционала [29, 32) , теории электрических цепей (ЗО, 38) Благодаря этому, расчетная область трехмерной задачи для получения достоверных результатов будет иметь весьма большое коли -чество конечных элементов. Порядок системы расчетных уравне -ний получается очень высоким, в простейшем случае предварительные разработки дали цифру 9000 - 12000. Если учесть, что уравнения будут нелинейными, то алгоритм и программа их расчета будут весьма громоздкими. Кроме того, следует, иметь в виду, что в настоящее время большинство расчетных методик для поля в трехмерной области апробированы, как правило, для каких - либо конкретных конструкций, довольно простых по форме. В нашем случае необходима достаточно универсальная методика. 6 данной работе сделана попытка обойти эти трудности максимально используя то обстоятельство, что в магнитной сие теме ОЛВД имеются области плоскопараллельного магнитного по -ля, а влияние областей объемного распределения поля мож -но с достаточной строгостью учесть. В данной работе методика расчета магнитного поля в ОЛВД строится на основе решения нескольких плоских задач расчета поля в областях, где имеется плоскопараллельный характер распределения поля с использова -яием результатов исследования поля в области торцов сердечни -ков, полученных физическим моделированием на макетах ОЛВД . В качестве базового расчетного сечения взято сечение магнитной системы плоскостью, параллельной ОХУ и проходящей через тела иддуктора и вторичного элемента (сечение I, рис. 1.2 ) Базовое расчетное сечение магнитной системы ОЛВД приведено на рис. 1.3. В этом сечении выделены участки магяи. - , топродода, на магнитном состоянии которых сказывается наличие полей в торцевых областях сердечников. В процессе расчета по -ля в указанном сечении, в пределах каждого расчетного цик -ла, корректируется магнитное состояние выделенных участков. Расчет магнитного поля в указанном сечении проводится мето -дом конечных элементов с решением системы нелинейных уравнений методом ДВР - Ньютона. Корректировка магнитного состояния вы -деленных участков проводится следующим образом. При опреде -лении магнитного состояния ( величины магнитной индукции и величины магнитной проницаемости ) спинки вторичного элемента, магнитная индукция в конечных элементах спин -ки увеличилась по сравнению с полученной в расчет -ном цикле на величину , пропорциональную магнитному по -току, проходящему через торцевые поверхности вторич -ного .элемента. Величина поправки определялась из зависи -мостей относительного значения потока через торцевые по -верхности от геометрических параметров воздушного зазора.
Расчет магнитного поля в продольном сечении
Расчет магнитного поля в продольном сечении необходим для определения поправочного коэффициента ( 3.1 ). Расчет провоз дится по методике, описанной в п. 1,1. Положение вторичного элемента относительно индуктора выбрано то же , что и при расчете поля в базовом сечении Секущая плоскость проходит через середин боковины индуктора и параллельна координатной плоскости 07Z . Если /0 6 8 , где о рабочий знзор, X) - ширина боковины индуктора ( рис. I.I ), то магнитное поле в рабочем зазоре и прилегающих областях можно считать плоскопараллельным. Тогда расчет поля в этом сечении дает значение потока рассеяния через торцевые поверхности вторичного элемента. В качестве расчетной области выбрана поло -вина полного сечения, заключенная между осью симметрии и границей сечения. Расчетная область и ее разбиение на треугольные конечные элементы приведено на рис. 3,4. Учтем, что магнитные силовые линии, выходящие из поверхности боковины, обращенной к воздушному зазору,не все достигают торцевой поверхности вторичного элемента. Обратимся к рис. 3.2. Магнитные силовые линии, выходящие из боковины индуктора образуют следующие магнитные потоки. Линии, проходящие через рабочий зазор образуют основной магнитный поток, выходящие из боковины индуктора и замыкающиеся на боковую поверхность (внутреннюю и внешнюю ) вторичного элемента,образуют поток бокового рассеяния вторичного элемента, замыкающиеся на торцевую поверхность вторичного элемента ( поверхность Н рис. 3.4 ),образуют поток торцевого рассеяния вторичного элемента. Однако, не все силовые динии , вышедшие из боковины индуктора замыкаются на вторичный элемент, часть диний замыкается на вторую боковину минуя вторичный элемнт. Поэтому граничные условия в данном расчетном сечвнии заданы следующим образом: на АЪ и ЪС Д= donA , на Л Б и CD jbfj=Q . Такие граничные условия соответствуют разрезанию магнитной системы по оси симметрии ( рис. 3.1 ) и ввыпрямлению ее вдоль оси У .
Расчет проводился полностью в соответствии с алгоритмом, описанным в главе 2. Следует иметь в виду,что области сердечников, прилежащие к воздушному зазору, являются сла-бонасыщеяными, поэтому в расчетах полагается с«ш, соответствующая индукции в стальных участках 1,1 Тл.
По результатам расчета поля в указанном сечении определен коэффициент магнитного рассеяния вторичного элемента через торцевые поверхности — г-—т, Ф - поток через тор J» - поток в рабочем зазоре. Результаты расчета приведены на рис. 3.5, здесь: о - рабочий зазор, пэ - высота вторичного элемента. Обработка результатов расчета методом наименьших квадратов дала следующие значения для коэффициентов О. и О зависимости ( 3.1 ):0.= 0,06, (J, =0,183.
На рис. 3.6 приведены экспериментальные и расчетные результаты определения коэффициента магнитного рассеяния вторичного элемента через торцевые поверхности. Здесь видно, что с увеличением рабочего зазора возрастает погрешность в определении коэффициента расчетным путем. Это связано, очевидно, с тем, что при больших зазорах допущение плоскопараллельности поля в указанном сечении становится менее строгим. Тем не менее, при номинальном рабочем зазоре результаты расчета и эксперимента практически совпадают, при двойном зазоре ( максимально допустимый рабочий зазор ) погрешность не превышает 10 %. 3.3. Расчет э.д.с. обмотки якоря ОЛВД В соответствии с постановкой задачи, сформулированной в 1.2 для расчета э.д.с. необходимо иметь результаты расчетов магнитного поля в ОЛВД в базовом сечении магнитной системы для положений вторичных элементов, указанных на рис.3.7. Расчетная область рис.3.1. является общей для этих случаев расчета 7 магнитного поля с тем отличием, что в одном из случаев среда, где, находятся треугольники вторичного элемента,заменяется с ферромагнетика на воздух. Обратимся к рис. 3.8. Здесь I -средняя катушка якорной обмотки. Электродвижущая сила, создающаяся в этой катушке будет пропорциональна амплитуде изменения потока, проходящего через эту катушку при взаимном перемещении индуктора относительно вторичной структуры (формула I.I). Предполагаем, что магнитный поток в системе создан н.с. обмотки возбуждения. Программа для расчета э.д.с. представляет собой видоизмененную программу расчета магнитного поля, описанную в главе 2. В нее добавлена подпрограмма " EQS " (рис.2.2). Эта подпрограмма помещается в конце головной программы после окончания расчетного цикла. Сначала рассчитывается магнитное поле в сечении по рис. 3.8 а и определяется поток через катушку якоря как
Выбор алгоритма синтеза , разработка программы синтеза конфигурации зубца
Итак, задача синтеза конфигурации зубца может быть сформулирована следующим образом: найти контур перехода от одного участка магнитопровода меньшего сечения к другому участку большего сечения, при котором обеспечивается минимальное значение функции цели вида ( 4.19 ) в переходной области. Практически решение этой задачи базируется на расчете магнитного поля в плоской расчетной области, включающей в себя основание зубца и часть боковины индуктора ( рис. 4.2 ). е Преход от варианта конфигурации к варианту осуществляется варьированием радиуса скруглення основания зубца, при этом контур основания аппроксимируется отрезками прямых линий, являющимися сторонами треугольных конечных элементов. Расчетная область ограничена осями симметрии зубца и паза индуктора. Граничные условия: наИЪиЫЛ Шщ m/IBuCJIJy-O . Уменьшение поперечного сечения паза индуктора может компеоироваться как было показано ранее,либо уменьшением ширины зубца, либо увеличением глубины паза. Увеличение глубины паза ухудшает использование активных материалов ОЛВД, поэтому в нашем случае остается компенсация сечения паза зв счет умешьшения ширины зубца. При этом уменьшение неравномерности распределения индукции в области основания сопровождается увеличением средней индукции в зубце. На величину магнитных потерь эти два фактора влияют встречно. Предложенная программа синтеза и позг воляет найти такие геометрические соотношения в основании зубца, при которых указанные факторы взаимодействуют наилучшим образом, обеспечивая минимальное значений целевой функции. Применительно к рассматриваемому расчетному сечению целевая функция принимает вид
Здесь: Б/ - индукция в конечных элементах области, S- - площади конечных элементов, В 6 - средние индукции в зубце и боковине, 5 &г площади участков зубца и боковины в расчетной области.
Учитывая то обстоятельство, что зависимость функции цели от параметра не может быть представлена в явном виде, кроме того, эта зависимость носит явно нелинейный характер, выберем для программы синтеза метод нелинейного программирования. Выбор был остановлен на алгоритме одномерного поиска ДСК ( Дэвис, Свеян , Кемпи ). Поиск осуществляется путем добавления к програмне расчета магнитного поля в расчетной области, описанной в главе третьей,дополнительной подпрограммы Spok В процессе работы этой подпрограммы меняются признаки среды таким образом, чтобы с равномерным шагом изменялся бы радиус округления основания зубца. При этом каждый раз определяется значение целевой функции в расчетной области. Отыскивается область минимума целевой функции, и затем по трем значениям радиуса и целевой функции вблизи минимума выполняется квадратичная интерполяция радиуса и находится,таким образом, радиус, соответствующий безусловному минимуму целевой функции.
Процесс синтеза контура основания в расчетной области, показанной на рис. 4.4,представлен в таблице 4.1. В результате синтеза ряда вариантов расчетной области получено, что наилучшим радиусом округления следует считать радиус в пределах 0,15 - 0,20 ширины паза. При этом снижение потерь в переходной области обеспечивается в пределах 6 - 8 %. Кроме этого, выполнение округления основания зубца уменьшает величину магнитного напряжения в нем из - за уменьшения неравномерности распреде ления индукции в переходной области. Кроме того, снижается величина магнитной индукции в самом напряженном в магнитном отношении месте за счет увеличения сечения магяитопровода в основании зубца.
Экспериментальные исследования , проведенные на магяито-проводе маломощного трансформатора ( рис. 6.10 \ показали, что выполнение округления угловой части сердечника, как это показано на рис. 6. приводит к уменьшению потерь в магяитопроводе на 8 - 10 % . Постановка эксперимента, методы исследования описаны в главе шестой. Результаты экспериментального исследования магнитных потерь в магяитопроводе маломощного трансформатора приведены на рис 6.II. Здесь I - соответствует конструкции магнитопровода со округлением, а 2 - конструкций без округления. Для экспериментальных исследований выбран именно магнито-провод указанной конструкции потому, что в нем наиболее полно можно выделить влияние округления на потери, так как относительный объемобластей с яеравномеряымраспределеяием индукции в такой конструкции велик.
Анализ пульсаций нормального усилия
Особенности конструкции магнитной системы ОЛЩ являются причиной появления переменных составляющих подвесного и тягового усилий во время перемещения индуктора вдоль вторичной структуры. Назовем эти переменные составляющие пульсациями усилия. Вопрос о величине пульсаций в ОЛВД, факторах, влияющих на их величину, является весьма важным как из соображений комфортабельности экипажей так и из условий обеспечения надежных условий пуска и устойчивости работы системы управления подвесным усилием. Наличие переменных составляющих в тяговом усилии явялется причиной появления провала в тяговом усилии , который может ухудшить условия пуска экипажа. Наличие переменных составляющих в нормальном ( подвесном ) усилии оказывает влияние на комфортабельность экипажа и, главным образом, может быть причиной дестабилизации работы системы управления подвесом.
Пульсации тягового усилия рассмотрены в п. 6.3. При рассмотрении вопроса о пульсациях нормального усилия усилия задача разделена на две подзадачи в соответствии с двумя основными факторами, вызывающими появление пульсаций . нормального усилия. Первая - пульсации нормального усилия, обусловленные дискретностью вторичной структуры и пазовостью сердечника индуктора. Вторая - пульсации нормального усилия, обусловленные влиянием токов якоря на магнитное поле в рабочем зазоре ШЩЦ. Вопрос о пульсациях первого вида рассмотрен в п. 6.2.
В настоящей главе рассмотрен вопрос о пульсациях нор -мального усилия, обусловленных действием токов якоря на магнитное поле в рабочем зазоре. Исследование этих пульсаций проведено расчетным путем. Расчетный алгоритм построен на основе следующей модели возникновения пульсаций. Обратимся к рис. 5.6. Здесь изображено сечение магнитной системы плоскостью Q1Z . В сечении изображена одна боковина индуктора, катушка возбуждения и катушки якоря а также вторичный элемент. Примем следующие допущения: магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода равно нулю, открытие пазов индуктора равно нулю, реакция вихревых токов на магнитное поле в рабочем зазоре пренебрежимо мала. Для расчета нор -мального усилия воспользуемся фориулой ( 5.2 ). При условии пренебрежения магнитным сопротивлением стальных участков магнитопровода можно записать
Для расчетного исследования пульсаций нормального усилия, обусловленных токами якоря, была составлена программа расчета усилия для ЭВМ ЕС - 1022. Текст программы приведен в приложений 4 . Блок - схема программы приведена на рис. 5.8,, Исходными данными для программы являются геометрические соотношения в магнитной системе, размеры катушек я элементов магнитопровода, а также значения н.с. якоря ( амплитудное значение ) и н.с. катушки возбуждения, величина рабочего зазора. В процессе работы программы задается начальное взаимное расположение вторичных элементов отно -сительно индуктора и распределение мгновенных значнний н.с. в соответствии с заданными параметрами режима работы ОЛЩ ( значением угла и соотношения амплитудного значения н.с. якоря и н.с. рабочего зазора в режиме холостого хода ). Угол V - это фазовый угол между э.д.с. и током якоря. После этого следует расчет нормального усилия в соответствии с формулами ( 5.23 ) и ( 5.24 ) для каждого из вторичных элементов и их суммирование, что дает результирующее значение нормального усилия на индуктор. Этот расчет повторяется после перемещения вторичных элементов относительно индуктора в соответствии с шагом перемещения вдоль оси Z , изменения в соответствии с этим значений н.с. якорных катушек ( мгновенные значения ). Работа программы заканчивается после отработки перемещения, равного удвоенному полюсному делению ОЛЩ.
Результаты расчетов относительного значения нормального усилия для статической модели ОЛЩ ( см. главу 6) приведены на рис. 5.9 . На рис. 5.9 приведены зависимости относительного нормального усилия рпри перемещении индуктора относительно вторичной структуры для различных значений угла V . Были определены также зависимости относительного нормального усилия от угла V для различных значений амплитуды н.с. якорных катушек. Анализ полученных зависимостей показывает, что при неизменном токе якоря и угле V . переменная составляющая нормального усилия не превышает 7 % среднего значения усилия. Имеется в виду переменная составляющая, обусловленная токами якоря. Следовательно, при поддержании угла" постоянным во время движения экинажа не будет оказываться заметного дестабилизирующего влияния на систему управления подвесом пульсациями нормального усилия. Однако, анализ зависимостей, приведенных на рисунке 5.9,