Введение к работе
Актуальность тембі. Создание новых и совершенствование
существующих электротехнических систем основано на передовых
промышленных и информационных: технологиях.. Среди возможных
технических вариантов развиваются те, которые способны привести к
оптимальному' экономическому решению. Поиск лучших решений
основан на теоретических и экспериментальных исследованиях, требую
щих современных методов и средств, в том числе использования посто
янно совершенствующейся вычислительной техники. Внедрение эффек
тивного программного обеспечения. позволяет не только повысить
качество и производительность инженерного н научного труда, но и
создать конкурентоспособные электромеханические устройства или
наиболее, полно использовать резервные возможное: и новых
конструкции, проводя их оптимизацию по ряду противоречивых
параметров. .
Методы моделирования электромагнитных процессов являются .одним КЗ-основных инструментов, используемых при разработке новых электромеханических устройств. В. связи с этим важную роль играет повышение эффективности работы программных комплексов, предназначенных для моделирования и проектирования, позволяющих как ускорить цикл разработки оптимального устройства, так и высвободить рабочее время квалифицированного специалиста для решения других задач. Следует также отметить, что идущее быстрыми темпами раилпие вычислительной техники дает возможность рассматривать с>шествующие проблемы с учетом большего числа особенностей и взаимных зависимостей параметров, а также решать качественно иопые задачи.
В диссертационной работе проведен анализ существующих программ для расчета электромагнитных полей в электромеханических преобразователях энергии, определены основные потребности пользователей данных программ и тенденции развития программного обеспечения в современных условиях. На основе анализа приведенной информации и опыта разработки программных продуктов, накопленных в научных организациях Российской Федерации и Швейцарии, выработана концепция программы нового поколения - модульной системы, сочетающей возможности расчета электромагнитного поля с элементами систем автоматизированного проектирования (САПР), ведения проекта и автоматизированной подготовки документации.
Благодаря ряду особенностей, программа рассчитана на широкий круї пользователей, включающий коллективы научных и учебных институтов крупные, средние и малые фирмы-разработчики электротехнически: систем, а также студентов и специалистов смежных отраслей науки і техники.
Цель работы и методы исследования. Целью работы являете: формирование концепции программы автоматизированного проектнро вания электромеханических устройств, объединяющей в себе возмож ности графического и аналитического ввода задачи, расчета электромаг ннтного поля в заданной области, анализа полученных результатов і подготовки отчета на основании имеющейся информации. Кроме того должны быгь учтены вопросы безопасности данных, разнообразие круг; пользователей, возможности последующего расширения и модифнкацш программы, возможности взаимодействия с другими программами, ; также экономические факторы.
В работе решены следующие основные задачи:
Проведен анализ существующих программ расчета электромаг нитного поля и тенденций их развития. Разработаны: общая структур; программы, назначение и функциональность отдельных модулей, систе ма обмена и хранения данных.
В качестве первой ступени реализации проекта произведены разработка отдельных модулей программы и объединение внові созданных и имеющихся модулей в программный продукт vvxFEMAG і последующим его испытанием в Цюрихском институте электрически: машин и на ряде фирм Швейцарии и Германии. С учетом полученной опыта реализована вторая ступень проекта - предложены алгоритмь решения для других модулей программы, проработаны системы защить данных и модуль подготовки документации.
Проанализированы существующие подходы к автоматизирован ному проектированию электротехнических устройств и указаны методы которые могут быть успешно использованы в разработанном програм мном комплексе.
При создании программы полученные решения использовались і проверялись в процессе расчета дискового электромагнитного преобра зователя энергии, разработка которого велась совместно і НПНэлектромаш. Результаты расчетов сопоставлялись с полученным! экспериментальными данными.
- С целью проверки возможности использования разработанной системы для оптимизации и автоматизированного проектирования устройств был проведен расчет катушек обмотки возбуждения и якоря.
Решение поставленных задач производилось с использованием аппарата информатики, программирования и теории ведения проектов в сочетании с методами теоретической электротехники и вычислительной математики. При разработке программы использовался язык программирования C++ (компиляторы Microsoft Visual C++, Watcom C++, Sun C++, GNU C++ в средах Microsoft Windows и UNIX), ммогоплат-форменная библиотека классов wxWindows (в процессе работы была существенно доработана и расширена). При описании геометрии задач па различных этапах использовались программы AutoCAD (Autodesk Inc.), CorelDRAW! (Corel).
На защиту выносятся следующие положения:
-
Новый подход к созданию программ расчета и разработки электромеханических устройств. Предложенная структура программы позволяет получить высокую гибкость, модифицируемость и настра-нваемость на конкретного пользователя.
-
Впервые предложенная структура данных, позволяющая производить описание задачи в формате, независимом от используемого расчетного модуля (процессора).
-
Технология использования нескольких независимых расчетных модулей для решения задачи или ее частей в параллельном, последовательном или независимом режимах.
-
Методика сохранения данных во время разработки устройства,, позволяющая сохранять и восстанавливать весь процесс разработки, включая время и авторство произведенных изменений.
-
Использование встроенного компилятора языка программирования Си для ввода данных, управления работой программы, реализации пользовательских алгоритмов расчета, анализа и оптимизации разрабатываемого устройства.
-
Концепция "генератора отчетов", позволяющего на основе накопленной программой информации создавать отчеты о произведенном работе в формате документа, определяемом пользователем.
-
Концепции комбинированного электромеханического преобразования и накопи юля энергии па основе дисковой электрической машины.
Научная новтиа и практическая ценность работы. Впервые предж жена концепция и структура программы автоматизированного проекті рования электротехнических устройств с высокой гибкостью, открытч стью и простотой, позволяющая автоматизировать весь процесс проекті ровапия устройства. Разработанный программный продукт да< возможность:
-
Производить ввод данных интерактивным графическим и аналиті ческим (с помощью встроенного языка программирования) путями.
-
Выполнять расчет электромагнитного поля в заданной області методом конечных элементов с автоматической оптимизацией расчете сетки, учитывая механические свойства материалов и наличі зависимостей характеристик материалов от условий их использоваш (электромагнитное поле, температура, давление и т.д.). Определят вторичные характеристики поля, электродинамические усилия и момент на базе полученного решения, строить графические зависимое! рассчитанных величин вдоль произвольно заданного пути.
-
Сохранять последовательность действий и создавать программы \ встроенном языке программирования с их последующим выполнением автоматическом режиме.
-
Производить дифференцированный доступ пользователей к данны и средствам работы с ними. Осуществлять одновременную работу в cei многих пользователей. На базе имеющихся данных создавать отчеты произведенных расчетах, изменении данных, работе разлнчнь пользователей.
В процессе исследований разработан современный программный пр дукт, позволяющий существенно упростить и ускорить процесс расчета оптимизации электромеханических устройств, усовершенствовать проце подготовки документации и контроля над ведением работ.
Предложена система учета нелинейности характеристик материал! электротехнических устройств, позволяющая производить расчеты і параметров с повышенной точностью, а при существенно нелинейнь характеристиках дающая практически единственный способ получеш удовлегворительного результата. В наибольшей степени она применима гипер- и сверхпроводникам, редкоземельным магнитам, коиструкцноннь и электроизоляционным материалам, работающим при криогенш температурах.
Созданный программный комплекс может быть использован при разработке различных типов электромеханических преобразователей и накопителей энергии, сверхпроводящих магнитных систем, устройств электромагнитного экранирования, систем магнитного подвеса и др.
Реализации результатов работы. В процессе работы над концепции» программного продукта была создана программа wxFemag, которая успешно использовалась в Цюрихском институте электрических машин и па ряде электротехнических фирм Швейцарии и Германии: Rockwell Int., Boscli. Ingenier Schule Biel.
Кроме того, разработанный программный комплекс применен при выполнении расчетно-теоретнческих исследований по проектам РФФИ: 96-01-01994 "Моделирование процессов тепломассообмена в замкнутых криогенных злектрігческих системах" (НИИэлектромаш), 97-02-18013 "Моделирование электромагнитных процессов в преобразователях энергии, содержащих сверхпроводящие элементы" (ОЭЭП РАН), в работах по проекту 96048 "КРИЭМ" направления "Сверхпроводимость" Государственной научно-технической программы "Актуальные направления в физике конденсированных сред" (НИИэлектромаш), а также па этапе формирования предложений на конкурс ЕЭС, по которым в 1998 г. получен грант PL 975032 "Development of HTSC alternators combining rotating and levitating principles" (Россия, Греция, Франция, Венгрия).
Апробации работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на Третьей европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (г. Энндховен, Нидерланды, 1997), Десятом трехстороннем германо-российско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (г. Нижний Новгород, Россия, 1997) и на научных семинарах в Цюрихском институте электрических машин.
По теме диссертации опубликованы 4 работы, 1 работа находится п печати, кроме того, материалы диссертации отражены в трех отчетах, выпущенных за время работы в Институте электрических машин (і Цюрих, Швейцария).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введении. четырех глав, заключения и списка литературы (67 наименовании). Общий объем работы 1 10 страниц машинописного текста, в том числе эЗ I нс: пка и і таилпи.
