Введение к работе
Актуальность темы исследования. Непрерывно повышающиеся требования к разработке и производству электротехнических устройств (ЭУ) и систем в смысле их конструктивной сложности, эффективности, массо-габаритных показателей и экономичности, требуют внедрения в процесс разработки сложных программных комплексов для расчета и оптимизации их конструкции Прежде всего, это программные комплексы для моделирования и оформления конструкторской документации - системы автоматического проектирования (САПР) В последнее время одним из мощнейших средств моделирования полевых процессов в различных устройствах и комплексах являются пакеты конечно-элементного анализа (Finite Element Analisis - FEA)
Предложенный в работе алгоритм и программный пакет АПЭМ для электротехнических систем с устройствами с разомкнутым магнитопроводом (РМП) позволяют выполнять надежные, экономичные, сложные по составу схемные решения, включающие в себя устройства с РМП На основе пакета в работе исследуется электромагнитный железоотделитель - устройство со сложным ярмом и большими межполюсными зазорами, а также электромагнитный привод микрокомпрессора - устройство с переменным маї нитным зазором Оба устройства характеризуются большими потоками рассеивания и выпучивания, поэтому требуется нахождение распределения характеристик поля в пространстве, так как это значительно влияет на эффективность исследования и проектирования как электромагнитного железоотделителя, так и привода микрокомпрессора Конечно-элементные пакеты позволяют анализировать силовые характеристики устройств, распределение магнитной индукции и потоки рассеивания
При решении проблем, связанных с разработкой методов моделирования электромагнитных процессов в ЭУ, автор следовал работам Бутырина П А , Юринова В М , Чечурина В Л , Демирчяна К С в области теоретической электротехники, работам Сегерлинда Л , Галлагера Д, Зенкевича О, Сабонадьера Ж К в области математического моделирования полей с помощью метода конечных элементов, работам Абрамкина Ю В , Сарапулова Ф Н , Ковалева Ю 3 , Горюнова В Н , Андреевой Е Г в области применения полевых подходов при моделировании электротехнических преобразователей и электрических аппаратов
Работа выполнена в рамках научно-педагогического направления по электротехнике, руководит которым заслуженный деятель науки и техники РФ, дтн, профессор Ковалев Ю 3
Целью работы является разработка алгоритмов расчета пространственных конечно-элементных моделей электромагнитных устройств с разомкнутым маг-нитопроводом (ЭМУРМП), учитывающих сложную геометрию модели, а так же рассеяние и выпучивание магнитного потока в рабочих и межполюсных зазорах
Для достижения цели исследования в диссертации решались следующие задачи
Выбор метода решения задачи моделирования магнитных полей ЭМУРМП
Разработка алгоритма формирования коэффициентов глобальной СЛАУ по МКЭ в сочетании с методом Галеркина с использованием регулярного элемента для решения задач расчета магнитного поля ЭМУРМП
Разработка алгоритма для решения задачи расчета трехмерного поля по МКЭ с использованием элемента гипер-куб
Создание программного пакета для решения задачи моделирования магнитного поля ЭМУРМП
Методы исследования. Математические модели электромагнитного поля строятся на Основе максвелловской теории поля Математическим описанием магнитного поля являются уравнения в частных производных - уравнения Лапласа и Пуассона Для решения уравнений Лапласа и Пуассона, описывающих магнитное поле ЭМУРМП использовался численный проекционно-сеточный метод - метод конечных элементов (МКЭ) в сочетании с методом Галеркина
Основные научные результаты и их новизна заключаются в следующем
1 Проведен анализ особенностей расчета ЭМУРМП Специфика данных
устройств заключается в
больших потоках рассеивания, что требует моделирования дополнительно магнитного поля в воздушном пространстве на удалении от самого устройства,
имеются существенные неоднородности в областях моделирования - переходы между воздухом и ярмом,
2 Проведен анализ численных методов расчета магнитных полей, их воз
можность применения к расчету ЭМУРМП Рассмотрены преимущества и не
достатки данных методов применительно к расчету ЭМУРМП
Выведены коэффициенты для трехмерного гипер-элемента Использован общий подход к формированию коэффициентов пространственных конечно-элементных уравнений для двух- и трехмерной моделей, позволяющий легко пересчитывать коэффициенты при изменении исходных данных
Разработан программный пакет, реализующий расчет методом конечных элементов ЭМУРМП сложной геометрической формы Программный пакет ориентирован на специфику данных устройств
моделируются обмотки намагничивания,
выбранный способ формирования конечно-элементной сети (КЭС) позволяет значительно сократить время расчетов и упростить процедуру построения КЭС по сравнению с другими пакетами,
области моделирования могут иметь различные значения магнитной проницаемости, при этом КЭС автоматически адаптируется под границы областей, что позволяет увеличить точность решения
Практическая ценность. На основании результатов работы создан пакет конечно-элементного анализа АПЭМ Данный пакет позволяет вести расчеты магнитных полей ЭМУРМП на стадии проектирования С помощью пакета выполнялись исследования и расчет магнитного поля электромагнитного железо-отделителя Проект включен в Межвузовскую комплексную программу «Наукоемкие технологии образования», приказ №361 от 12 03 1997г и утвержден приказом Минобразования РФ №451 от 14 02 2000г Имеется свидетельство о регистрации пакета в отраслевом фонде алгоритмов и программ №2620
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается применением для теоретических выводов строгих научных положений теории электромагнитного поля, качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных и натурных экспериментов, апробацией как предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на IX международной научно-методической конференции "Наукоемкие технологии образования" - Таганрог, ТГРТУ, 1999г , XXXVIII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс Информационные технологии" - Новосибирск, НГУ, 2000г, Научно-методической конференции "Современное образование управление и новые технологии" - Омск, 2000г, Пятой Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в электротехническом образо-
вании (НИТЭ-2000)", Астрахань, 2000г, Международной научно-методической конференции "XXVI Гагаринские чтения", Москва, 2000г , Конференции "Наукоемкие технологии образования", Таганрог, 2001г , Первой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH, Москва, 2001 г, X международной научно-методической конференции «Наукоемкие технологии образования», Таганрог, 2001г, Международной научно-технической конференции, посвященной 60 летаю ОмГТУ «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2002г, Третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH, Москва, 2003г, Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах», Воронеж, 2004 г , V Международной Научно-технической Конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004г , IV Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах», Воронеж, 2005г, Пятой конференции пользователей программного обеспечения CAD FEM GMBH, Москва, 2005 г
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 141 наименований и трех приложений Общий объем работы составляет 127 страниц, из них 96 страниц основного текста и 31 страниц приложений, списка использованных источников, работа содержит 63 рисунка и 6 таблиц
