Введение к работе
Актуальность проблемы
В создание и развитие теории и методов моделирования и разработки конструкций электрических машин большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: Д.А. Аветисян, А.И. Адаменко, Б.Л. Алиевский, ЮЛ. Бахвалов, А. И. Бертинов, Ю.Б. Бородулин, Д.А. Бут, А. Вивиани, И.А. Глебов, Л.И. Глухивский, О.Д. Гольдберг, Я.Б. Данилевич, К.С. Демирчян, В.В. Домбров-ский, Е.И. Ефименко, А.Е. Загорский, А.В. Иванов-Смоленский, В.А. Кожевников, Е.В. Кононенко, И.П. Копылов, М.П. Костенко, Ю.П. Коськин, В.А. Кузнецов, А.Н. Дедовский, Ф.А. Мамсдов, Я.А Новик., И.Е. Овчинников, И.Н. Орлов, Г.Н. Петров, В.В. Попов, В.И. Попов, И.М. Постников, В.И. Радин, Ж.-К. Саббоннадьер, С. Садарагани, Б.В. Сидельников, П. Сильвестер, Е.М. Синельников, Г.А. Сипайлов, А.И. Скороспешкин, Т.Г. Сорокер, А.А. Терзян, Б.Ф. Токарев, Я. Туровский, Р.В. Фильц, В.И. Чабан, М.В.К. Чари, В.Л. Чечурин, Н.Н. Шереметьевский, Ю.А. Шумилов, Ю.Я. Щелыкалов и многие другие.
Преобразование энергии в устройствах электромеханики происходит через физические поля: магнитные, электрические, тепловые и механические. Физические поля определяют рабочие свойства и срок службы электрических машин, оказывают воздействие на обслуживающий персонал. Важно иметь методы и средства оценки параметров этих полей на стадии разработки электрических машин. Желательно объединение в одном комплексе со стандартизированным интерфейсом средств моделирования разнообразных неоднородных нелинейных анизотропных физических полей. В этом случае целесообразно использование единой обобщенной численной модели полей с гарантированной сходимостью и учетом особенностей распределения разных полей в электрических машинах, например, на основе метода конечных элементов. Актуальность подхода обуславливается необходимостью повышения детализации математических моделей электрических машин на основе универсальных и строго формализованных численных полевых моделей. Особенно в случаях нетрадиционного исполнения, наличия конструктивных особенностей, использования новых материалов и предельных электромагнитных нагрузок.
В электрических машинах физические поля существуют одновременно и могут являться взаимозависимыми. Взаимосвязь полей обусловлена законом сохранения энергии и проявляется во влиянии параметров одних полей на характеристики сред и возбуждающие факторы других полей. Наиболее изучена взаимосвязь переменных электрических и магнитных полей, которые образуют единое электромагнитное поле. В то же время взаимное влияние их с тепловыми и механическими полями учитывается редко. Но это влияние может быть существенным. Например, для высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB характерны небольшая предельная температура и высокая температурная зависимость магнитных свойств. Это требует взаимосвязанного термомагнитного анализа полей электрических машин с такими магнитами. В общем случае, необходим системный подход "к анализу взаимозависимых физических полей в устройствах электромеханики. Численное моделирование взаимозависимых полей составляет научную проблему электромашиностроения.
Поиск рациональной конструкции электрических машин сводится к выбору варианта с требуемыми распределениями физических полей. Использование численных моделей полей в автоматизированном выборе конструкции остается малоизученной проблемой и в настоящее время почти не осуществляется ввиду слабой разработанности подходов и методов. Но такой подход из-за снятия многих допущений может приводить к новым конструкциям электрических машин и способам определения конфигурации деформируемых поверхностей.
Существует задача объединения этапов численного моделирования физических полей и автоматизированного синтеза конструкций электрических машин с их проектированием при многоуровневой структуре моделирования электромагнитного и теплового состояния. Определенного успеха в разработке электрических машин можно добиться при декларативном проектировании с динамически перестраиваемым алгоритмом расчета.
Завершающим элементом разработки электрических машин является экспериментальное исследование опытных образцов. Целесообразно использование разработанных и метрологически аттестованных автоматизированных систем испытаний. Все автоматизированные системы анализа и синтеза электрических машин должны увязываться и взаимодополняться.
Целью диссертационной работы является решение научной проблемы численного моделировании и разработки конструкций электрических машин с учетом взаимного влияния физических полей.
Поставленная цель потребовала решения следующих основных задач:
-
Разработка на основе единого подхода к моделированию методом конечных элементов обобщенных математических моделей расчета в разных системах координат неоднородных нелинейных анизотропных двумерных магнитных, тепловых, электрических и механических полей в устройствах электромеханики с учетом их особенностей.
-
Разработка системного подхода к численному моделированию взаимозависимых физических полей в электрических машинах.
-
Разработка системьцерязанного расчета со стандартизированным интерфейсом взаимозависимых "физических полей в электрических машинах на единой конечно-элементной модели.
-
Исследование взаимозависимых физических нолей в электрических машинах различных типов и исполнений.
-
Разработка методологии синтеза конструкций электрических машин на основе полевых моделей с учетом взаимного влияния физических полей.
-
Реализация расчета электрических машин на основе заданного алгоритма с фиксированным набором исходных данных и на основе декларативных знаний с динамически формируемым алгоритмом и выбором уровня моделирования электромагнитного и теплового полей.
-
Разработка метрологически аттестованных автоматизированных систем и технологии проведения экспериментальных исследований электрических машин с возможностью интеграции систем испытаний с системами моделирования и проектирования.
8. Разработка на базе предложенных методов эффективных конструкций электрических машин и способе» определения конфигурации деформируемых элементов устройств электромеханики.
Методы исследований. В работе использовались: элементы теорий вариационного, матричного и интегрального исчислений; векторный анализ; конечно-элементное моделирование физических полей; системный подход к анализу взаимосвязанных явлений; методы решения систем нелинейных и линейных уравнений; алгоритмы обработки разреженных матриц; сплайновая аппроксимация; квазиградиентный метод переменной метрики; декларативные методы проектирования; методы физического моделирования и экспериментальных исследований; автоматизированные методы испытаний.
Научная новизна. На основе единого подхода к моделированию методом конечных элементов физических полей разработаны обобщенные маїсматиче-ские модели и алгоритмы расчета в устройствах электромеханики нелинейных анизотропных двумерных магнитных, электрических и тепловых полей с учетом их особенностей. Метод расчета тепловых полей позволяет учесть нелинейности теплопроводностей сред и теплоотдачи с поверхностей при возможности введения внутрь рассматриваемой области границ с граничным условием теплоотдачи для учета взаимного теплового влияния частей электрических машины, разделяемых движущейся охлаждающей средой.
Предложен конечно-элементный метод моделирования постоянного магнита как нелинейного анизотропного источника магнитного поля, который учитывает магнитную нелинейность, термозависимость и распределенность намагниченности по сечению постоянного магнита и осуществляет автоматическое нахождение не тождественных рабочих точек разных частей магнита.
Предложен принцип многоаспектного моделирования физических полей. Сформирован системный подход к численному моделированию взаимозависимых физических полей в электрических машинах. Разработана с единым методическим подходом и стандартизированным интерфейсом система связанного расчета на единой конечно-элементной модели взаимовлияющих двумерных магнитных, электрических и тепловых полей.
Рассчитаны и проанализированы взаимозависимые физические поля в электрических машинах различных типов и исполнений.
Для обоснованных целевых функций разработан метод поиска квазиградиентным методом переменной метрики при применении процедуры минимизации рациональных конструкций электрических машин на основе конечно-элементного анализа взаимозависимых физических полей с автоматизированной параметрической деформацией единой расчетной сетки. Внесен вклад в проблему структурно-параметрического синтеза.
Предложен матричный анализ и интерактивный синтез схем распределенных статорных обмоток неявнополюсных двигателей постоянного тока. Получены общие выражения коэффициентов полюсного перекрытия для нескольких и различным способом распределенных статорных обмоток.
Разработаны системы расчета неявнополюсных двигателей постоянного тока с многоуровневой структурой моделирования электромагнитного и тепло-
вого состояния и явнополюсных машин постоянного тока на основе декларативных знаний с динамически формируемым алгоритмом расчета.
Разработаны автоматизированные системы испытаний неявнополюсных двигателей постоянного тока и асинхронных конденсаторных двигателей на базе ПК и аппаратно-программных интерфейсов и микропроцессорных интерфейсных плат, метрологическая аттестация систем, предложена технология проведения автоматизированных экспериментальных исследований.
Новизна конструктивных решений, полученных в результате использования предложенных подходов, подтверждена получением авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Практическая ценность
Полученные соотношения, разработанные алгоритмы и единые программы моделирования методом конечных элементов позволяют рассчитывать неоднородные нелинейные анизотропные двумерные магнитные, тепловые и электрические поля с учетом особенностей в электрических машинах.
Предложенный метод моделирования электрической машины с постоянными магнитами, как нелинейных анизотропных источников поля, позволяет проводить расчет магнитных полей, созданных совместным действием нескольких разных постоянных магнитов с различной ориентацией осей и токовых обмоток в насыщаемых средах с учетом магнитной и температурной зависимостей, отказаться от дополнительных итераций при поиске не тождественных рабочих точек разных элементов магнита.
Разработан системный подход к численному моделированию взаимозависимых физических полей в электрических машинах. Созданная со стандартизированным интерфейсом система позволяет осуществлять формирование, решение и обработку результатов совместного расчета взаимовлияющих двумерных магнитных, электрических и тепловых полей в электрических машинах. Определены оптимальные числа итераций расчета отдельных полей в рамках внешнего цикла их перебора при последовательно-итерационном методе расчета взаимовлияющих полей. Проведены расчеты и анализ взаимозависимых физических полей в электрических машинах различных типов и исполнений.
Предложенный метод автоматизированного выбора конструкций на основе конечно-элементных моделей физических полей использован при модернизации магнитной системы стартерных электродвигателей, магнитного клина в асинхронных машинах, конструкции охлаждения и обеспечения электрической прочности трансформатора для изоляции с термозависимыми диэлектрическими свойствами, формы постоянного магнита в магнитоэлектрических машинах, сердечника статора и способа распределения статорных обмоток неявнополюсных машин постоянного тока. Разработан метод поиска конфигурации деформируемой поверхности магнитной жидкости электромеханических магнито-жидкостных герметизаторов с учетом влияния распределения теплового и магнитного полей при заданном внешнем перепаде давления.
Разработанный матричный анализ схем статорных обмоток неявнополюсных двигателей постоянного тока позволил получить в общем виде выражения для коэффициентов полюсного перекрытия по осям для нескольких и различ-
ным способом распределенных обмоток и предложить алгоритм их интерактивного синтеза при обеспечении заданных параметров.
Практическая ценность диссертации подтверждается выполнением автором НИР для НИИаптоприборои, ЛО "ВНИПТИЭМ", ВІ ІИИ'Хііекіромаш, НПО "Псковэлектромаш", Биробиджанского завода силовых трансформаторов, НПП "ТЕМП-АВИА", СКТБ "Полюс", ПНИЛ "Феррогидродинамика, ряда Вузов.
Реализация результатов работы
Комплекс программ конечно-элементного моделирования магнитных систем в разных версиях и на разных типах ЭВМ внедрен на НИИавтоприборов, АО "ВНИПТИЭМ", Биробиджанском заводе силовых трансформаторов, НПО "Псковэлектромаш", СКТБ "Полюс", ПНИЛ "Феррогидродинамика", кафедре электромеханике МЭИ.
В НИИавтоприборов использованы результаты теоретических исследований и рекомендации для стартеров автомобилей "УАЗ", "ЗАЗ", "ВАЗ", "ГАЗ" и "Москвич". Уточненный метод расчета стартерных электродвигателей, результаты исследований и усовершенствованная конструкция стартера СТ230Б внедрены на Борисовском заводе автотракторного электрооборудования.
В АО "ВНИПТИЭМ" использованы результаты исследований при разработке асинхронных двигателей с магнитными клиньями и в отделе регулируемых электродвигателей при расчетах вентильных машин.
В НПО "Псковэлектромаш" внедрены направления совершенствования конструкции двигателей 4ПО80 - 4ГЮ112 (по А.С. 1511805) и результаты исследований двигателей с постоянными магнитами: электрического подвесного лодочного мотора ЭПЛ-2-У5, микродвигателя для видеомагнитофона ДП25А, высокомоментных двигателей с гладким якорем Н!00-25.
Результаты конечно-элементных исследований электромеханических маг-нитожидкостных герметизаторов использованы при разработке уплотнений для Арзамасского НПП "ТЕМП-АВИА".
Системы проектирования двигателей постоянного тока внедрены в ряде Вузов и университетов.
Разработанные модели и системы используются в учебном процессе и научной работе ИГЭУ.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена строгим следованием физическим законам и выполнением математических преобразований, использованием современных математических моделей, принятием признанных допущений, подтверждением данными численного моделирования, совпадением с экспериментальными результатами измерения магнитных индукций и потоков, действующих на клин усилий, индуктивности дросселя, температур, характеристик двигателей, критического перепада давления в магнитожидкостных герметизаторах в лабораториях ИГЭУ, ПНИЛ "Феррогидродинамика", СКТБ "Полюс", БАТЭ, НПО "Псковэлектромаш", изготовлением и испытанием физических моделей и опытных конструкций стартерно-го и неявнополюсного двигателей постоянного тока, применением автоматизированных метрологически аттестованных средств проведения эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту
Математические модели па основе единого конечно-элементного подхода к моделированию неоднородных нелинейных анизотропных двумерных магнитных, тепловых и электрических полей электрических машин.
Метод численного моделирования магнитных полей магнитоэлектрических машин с учетом нелинейности, термозависимости и распределенности намагниченности по сечению магнита, с автоматическим нахождением не тождественных рабочих точек разных частей магнитов.
Системный подход к численному моделированию взаимозависимых магнитных, электрических, тепловых и механических полей в электрических машинах.
Результаты исследования взимозависимых физических полей и характеристик электрических машин различных типов и исполнений.
Метод синтеза рациональных конструкций электрических машин и конфигурации поверхности магнитной жидкости электромеханических магнитожид-костных герметизаторов на основе конечно-элементного анализа взаимозависимых физических полей с автоматизированной параметрической деформацией единой расчетной сетки.
Синтезированные новые конструктивные решения и практические разработки образцов электрических машин.
Матричный анализ и автоматизированный метод синтеза схем распределенных статорных обмоток неявнополюсных двигателей постоянного тока.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Ивановского энергетического института (1977-1980 г.г.), V семинаре "Автоматизация проектирования в электротехнике и энергетике" (Иваново, 1980 г.), Международных конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989, 1991, 1992, 1994, 1997, 1999 г.г.), 11-ІV областных научно-технических конференциях (Иваново, 1986, 1988, 1990 г.г.), XII конференции ВЭИ (Москва, 1980 г.), IX конференции Дрезденского технического университета (Дрезден, 1981 г.), Всесоюзном семинаре "Повышение энергетических характеристик и снижение расхода материалов асинхронных двигателей низкого напряжения" (Суздаль, 1983 г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация поискового конструирования" (Иваново, 1983 г.), Всесоюзном совещании "Проблемы вибродиагностики машин и приборов" (Москва-Иваново, 1985 г.), IV и VI Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985, 1991 г.г.), Всесоюзной конференции "Регулируемые электродвигатели переменного тока" (Суздаль, 1987 г.), Всесоюзной конференции "Интенсификация учебного процесса в высшей школе на базе микропроцессорных вычислительных систем" (Воронеж, 1987 г.), краевой конференции "Устройства и системы автоматики автономных объектов" (Красноярск, 1987 г.), XII совещании по магнитной гидродинамики (Саласпилс, 1987 г.), V и VI Всесоюзных конференциях "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" (Паланга, 1988; Бишкек, 1991 г.г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация проектирования и производства в электромашиностроении"
- ч -
(Суздаль, 1989 г.), республиканской конференции "Методические проблемы использования ТСО в учебном процессе" (Суммы, 1989 г.), IX Всесоюзной конференции "Электродннттсли переменного тока средней и малоіі мощности" (Суздаль, 1990 г.), региональном семинаре "Математическое моделирование процессов и аппаратов" (Плес, 1990 г.). Международном симпозиуме "Исследование проблем создания магнитных систем новых электрических машин и применения в них высокоэнергетических магнитотвердых материалов с целью совершенствования параметров и конструкций" (Суздаль, 1990 г.), республиканской конференции "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново, 1991 г.), X Всесоюзной конференции "Интеллектуальные электродвигатели и экономия электрон іері ни" (Суздалі., 1991 г.), X конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Москва, 1992 г.), І-Ш международных конференциях по электромеханике и электротехнологии (Суздаль, 1994; Крым, 1996; Клязьма, 1998 г.г.), VI-VI11 международным конференциям по магнитным жидкостям (Париж, 1992; Плес, 1996, 1998 г.г.), XII международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 1997 г.), конференции в честь 100-летия Г.Н. Петрова (Москва, 1999 г.).
Работа в целом докладывалась, обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедр электромеханики ИГЭУ и МЭИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 научных статей, более 50 тезисов докладов, авторское свидетельство, два патента на изобретения, учебное пособие и 8 методических разработок по применению автоматизированных систем анализа, проектирования и испытания электрических машин. Результаты выполненных исследований отражены в 12 отчетах по НИР.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 380 страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы на 27 страницах, приложений на 21 странице, включает 125 рисунков и 25 таблиц.
