Введение к работе
Актуальноеть_темы. Ускорение научно-технического прогресса, интенсификация производства ставят задачи, связанные с необходимостью совершенствования технико-экономических показателей электротехнических устройств. Основой новых технических решений являются результаты углубленного изучения и исследования физических процессов в электротехническом устройстве, особенно в тех случаях, когда конструктивные решения - нетрадиционны, а экспериментальный материал отсутствует. Проектирование электротехнических устройств содержит в качестве одного из компонентов расчет магнитного поля, причем, в общем случав для исследования поля необходимо рассматривать задачу в трехмерной постановке (поле в торцевой зоне электрической машины, в магнитных линзах, в трансформаторах, в реле). Усложнение юделей, описывающих электромагнитные процессы в проектируемых машинах, предъявляют определенные требования к методам расчета полей. В частности, необходима ориентация метода расчета на применение вычислительной техники, без которой не может быть решена задача расчета трехмерного поля. Таким образом, создание эффективного и доступного для инженеров алгоритма расчета трехмерного магнитного поля - актуальная задача теоретической электротехники. Создание программы- численного расчета поля на основе такого алгоритма позволит осуществить автоматизацию процесса проектирования электротехнических устройств, заменив длительный и дорогостоящий эксперимент быстрым расчетом на ЭВМ различных вариантов конструкций и выбором оптимальнога из них.
Целями настоящей работы являются;
исследование особенностей постановки задач расчета трехмерного магнитного поля при сведении его к потенциальному полю источников;
разработка универсальной инженерной методики расчета трехмерного стационарного магнитного поля;
решение практических инженерных задач на основе разработанной численной методики.
Задача исследования. Реализация поставленной цели потребовала
.1
решения следующих задач:
развитие метода скалярного потенциала в направлении алгоритмизации построения расчетной модели трехмерного стационарного магнитного поля;
разработка расчетной модели трехмерного стационарного магнитного поля в лобовой части элоктрической машины о учетом конечных размеров секции обмотки ротора;
разработка алгоритма формирования системы нелинейных уравнений ЖЭ с учетом:
а) выбранного способа аппроксимации магнитных зарядов на конеч
ных элементах;
б) нелинейных свойств и анизотропии ферромагнитных сред;
разработка универсальной программы расчета трехмерного стационарного магнитного поля, дающей возможность использовать расчетные модели, содержащие все типы магнитных зарядов, и позволяющей учитывать нелинейные свойства и анизотропию ферромагнитных сред;
разработка генератора автоматического разбиения трехмерной расчетной области на узлы;
усовершенствование методики численного расчета индуктивноетей, связанное с учетом конечных размеров токонесущих элементов конструкции;
применение разработанной инженерной методики, реализованной в программе расчета трехмерного стационарного магнитного поля для решения практической задачи расчета индуктивности рассеяния лобовых частей обмоток электрических машин.
Методы исследований. Для исследования трехмерного стационарного магнитного поля используется формулировка уравнений электромагнитного поля относительно скалярного магнитного потенциала Um и вихреного поля Но , занимающего определенную область пространства. Задача представлена в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных, решение которой осуществляется вариационным способом с применением метода конечных элементов.
Научная новизна. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритм автоматизированного процесса построения расчетной модели, использующей<магнитные заряды, имитирующие электрические токи.
-
Способ апроксимации магнитных зарядов всех типов в трехмерном
симплекс-элементе МКЭ.
-
Способ построения расчетной модели трехмерного магнитного поля в лобовой части электрической машины с учетом конечных размеров и формы секции обмотки ротора.
-
Программное обеспечение для расчета трехмерных стационарных магнитных полей на основе скалярного магнитного потенциала.
Достоверность и точность полученных в работе результатов подтверждена адекватностью результатов численных расчетов магнитных полей с результатами аналитических решений тех же задач, а также данными, опубликованными в литературе.
Практическая ценность работы состоит в
- разработке и анализе алгоритма, автоматизирующего построение расчетной модели при определении трехмерного стационарного магнитного поля, что позволяет облегчить использование метода скалярного магнитного потенциала для практических задач;
создании универсальной инженерной методики и разработке на её основе программы расчета трехмерного стационарного магнитного го-ля на основе скалярного магнитного потенциала с учетом нелинейных свойств и анизотропии ферромагнитных сред, позволившей провести расчеты магнитного поля в торцевой зоне электрической машины (ACT) при различных вариантах конструкции лобовых частей обмотки.
Реализация результатов работы. Программа, созданная на основе разработанного алгоритма расчета трехмерного стационарного магнитного поля, была использована при проведении научно-исследовательской работы "Разработка алгоритма и программы расчета трехмерного электромагнитного поля, индуктивностей лобовых частей обмоток крупных электрических машин переменного тока" в АО "Электросила". Программа внедрена в АО "Электросила", ВНИИЭлектромашиноотроения и используется при исследовании электрических машин. Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.
Аштробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались: на 5-й научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня судового электрооборудования" (Ленинград, ВДИИСЭТ, октябрь 1989 г.), на научных семинарах АО "Электросила" и кафедры ТОЭ СПб ГТУ (ноябрь 1994 г.), а также опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
