Введение к работе
Актуальность темы. Дальнейшее развитие промышленности и повышение темпов производства в нашей стране невозможно без применения новых технологий и современного промышленного оборудования.
В связи с этим на промышленных предприятиях активно внедряются сложные автоматизированные технологические комплексы, в которых основными исполнительными элементами являются электрические машины малой мощности. Кроме того, двигатели данного типа нашли широкое применение в медицинской, авиационной, ракетной технике, а также в периферийных устройствах вычислительной техники.
В зависимости от области применения электрических машин малой мощности предъявляются специфические требования к их техническим характеристикам и режимам эксплуатации. Можно выделить два класса двигателей малой мощности, в полной мере отвечающих требованиям предметной области: двигатели постоянного тока с полым ротором и возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов (двигатели типа ДПР) и асинхронные двигатели с полым ротором (АДПР).
При выборе проектных решений применительно к двигателям постоянного тока с полым ротором основная задача связана с выбором массогабаритных характеристик, а также параметров, определяющих энергетические показатели.
Проектные решения применительно к асинхронным двигателям, направлены на улучшение энергетических характеристик и повышение степени использования двигателей.
Выбор варианта конструктивного решения должен обеспечить к снижение эксплуатационных затрат и повышение надежности и долговечности реализованных на его основе устройств.
Следует отметить, что в области разработки данного типа электрических машин практически отсутствуют универсальные математические средства анализа электромагнитных полей вследствие ограниченных аналитических методов исследования. С другой стороны, развитие программных систем численного моделирования позволяет проводить качественные исследования магнитных систем электрических двигателей малой мощности для выбора вариантов конструкций с оптимальным использованием магнитных материалов и достижения заданных значений технических параметров. Отсутствие формализованного подхода к решению проблемы принятия проектных решений на начальной стадии проектирования приводит к тому, что на стадии предпроектных исследований при принятии окончательного варианта конструктивного решения приходится рассматривать все множество альтернативных вариантов, анализировать их методом прямого «перебора», с последующим выбором оптимальной конфигурации магнитной системы и проведением соответствующих расчетов. Следует также обратить внимание на отсутствие программных средств анализа электромагнитных полей и поддержки принятия проектных решений, учитывающих особенности конфигурации магнитных систем и позволяющих осуществлять выбор оптимальных проектных решений. Это определяет целесообразность проведения исследований по созданию программных средств математического моделирования и анализа магнитных полей в двигателях постоянного тока с полым ротором и в асинхронных двигателях с неферромагнитным ротором, обеспечивающих принятие качественных проектных решений, направленных на выбор вариантов конструкций, соответствующих жестким ограничениям областей практического использования.
Таким образом, актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью проведения дополнительных исследований с целью разработки соответствующих средств анализа электромагнитных полей в электрических машинах малой мощности, реализующих аналитические модели и модели численного анализа для выбора оптимальных конструктивных характеристик, удовлетворяющих конкретным требованиям технического задания.
Тема диссертации соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета: «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», а таюке госбюджетной НИР кафедры автоматики и информатики в технических системах (ГБ №564310).
Целью работы является разработка математических средств моделирования и анализа электромагнитных полей в электрических двигателях малой мощности, сочетающих аналитические модели и модели численного анализа, обеспечивающих выбор оптимальных вариантов конструкций,
Для реализации данной цели в работе поставлены следующие основные задачи:
- провести анализ существующих типов микродвигателей постоянного и переменного тока с точки зрения реализации математических средств моделирования магнитных полей;
- разработать комплексный подход к математическому описанию электромагнитного поля в двигателях постоянного тока и асинхронных машинах малой мощности как основу построения математических моделей магнитных систем;
- разработать аналитические модели магнитных полей в условиях общепринятых допущений относительно свойств магнитных материалов и протекания электромагнитных процессов;
- сформировать гибридную модель магнитных полей, сочетающую аналитический и численный подходы к моделированию и анализу электромагнитных процессов;
- разработать программное обеспечение компьютерной системы моделирования и анализа электромагнитных систем, позволяющее осуществлять активное взаимодействие пользователя с системой в различных режимах принятия проектных решений; Методы исследования базируются на использовании методов теории моделирования, теории электрических машин, теории электромагнитного поля, численных и аналитических методов решения дифференциальных уравнений. Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
- структура математической модели электромагнитного поля в двигателе постоянного тока с полым ротором и возбуждением от высококоэрцитивных магнитов, отличающаяся возможностью воспроизведения воздействия полей рассеяния проводников обмотки ротора на поле постоянного магнита;
- структура математической модели электромагнитного поля в асинхронном двигателе с полым ротором, отличающаяся реализацией численных средств анализа магнитных систем, с учетом внесения конструктивных изменений в конфигурацию магнитной системы;
- модель анализа энергетических характеристик двигателей постоянного тока с полым ротором и асинхронных двигателей с полым ротором, а также комплексный критерий выбора геометрических размеров магнитных систем двигателей с полым ротором постоянного и переменного тока, базирующийся на третьем законе электромеханики;
- гибридная модель выбора основных геометрических соотношений, отличающаяся реализацией аналитического расчета и средств взаимодействия с инструментальной системой численного моделирования в процессе уточнения параметров магнитной системы;
- структура программного обеспечения системы моделирования, позволяющая проводить анализ объекта исследования в условиях альтернативных вариантов конфигурации геометрии магнитных систем.
Практическая значимость работы заключается в разработке комплексных средств моделирования и анализа магнитных систем двигателей малой мощности различного типа как функционального ядра системы принятия проектных решений, обеспечивающей высокое качество и оперативность процедур проектирования на стадии выбора конфигурации магнитной системы.
Теоретические результаты работы положены в основу программного продукта «Автоматизированный расчет геометрических размеров магнитных системэлектрических двигателей малой мощности», зарегистрированного в ГОСФАП.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс ВГТУ в рамках дисциплины кафедры АИТС «Моделирование систем» и дисциплины кафедры ЭМСиЭС «Математическое моделирование электрических машин», а также в производственной деятельности ОАО «Агроэлектромаш».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональной студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (Воронеж, 2003 год), на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2003 год), на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2004 год), на региональной студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики электроники» (Воронеж, 2004 год), на всероссийской студенческой научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (Воронеж, 2005 год), а также на научных семинарах кафедр "Автоматики и информатики в технических системах" и «Электромеханических систем и энергоснабжения» ВГТУ (2003-2006 г).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателем предложены: методика расчета параметров участков магнитной цепи неферромагнитного ротора, создание модели магнитного поля в двигателях постоянного тока с полым ротором, использование метода конечных элементов в исследовании магнитных полей в конструкциях двигателей постоянного тока с полым ротором (ДПР) и асинхронных двигателях с неферромагнитным ротором (АДПР), разработка подхода к оптимизации конструкций ДПР и АДПР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, основной текст изложен на 138 листах и содержит 36 рисунков, 2 таблицы, список литературы, включающий 133 наименования и 4 приложения.
Во введении отражена актуальность темы, сформулирована цель диссертационной работы, задачи и методы исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе рассмотрены содержательные компоненты компьютерных систем моделирования и анализа электромагнитных полей в электромеханических системах с неферромагнитным ротором (ЭМС).
Проведен анализ аналитических подходов к процессу проектирования и исследования электромагнитного поля.
Проанализированы методы принятия проектных решений двигателей малой мощности с полым ротором и пути их совершенствования.
Сделан вывод о целесообразности применения в этой области программных продуктов реализующих модели объекта исследования и анализа электромагнитных систем с применением метода конечных элементов.
Обоснованы цель и задачи разработки специальных средств математического и программного обеспечения современных систем компьютерного моделирования и анализа магнитных систем, обеспечивающих адаптацию к специфическим особенностям конкретных типов проектируемых электродвигателей малой мощности.
Во второй главе рассмотрен подход к моделированию электромагнитных полей в конструкциях ДПТ с гладким якорем. Выполнен анализ магнитного поля в различных конструкциях магнитных систем. Выявлены критерии для сравнения и выбора магнитных систем. Предложен комплексный критерий оптимизации, который позволяет выполнить сравнительный анализ различных типов электрических машин и учитывает требования к электромеханической системе по энергетике и быстродействию. Приведена методика, сочетающая аналитический расчет и численный эксперимент, позволяющая определить основные геометрические размеры различных конфигураций магнитных системи произвести выбор оптимальной.
Третья глава посвящена моделированию электромагнитных процессов в управляемых асинхронных двигателях с неферромагнитным ротором. На основании плоскопараллельного закона распределения плотности тока на участках сплошного неферромагнитного полого ротора получены соотношения между составляющими плотности токов и геометрии перфорированного полого ротора. Проведен анализ возможностей использования метода конечных элементов к исследованию электромагнитных полей в асинхронном двигателе с полым ротором.
В четвертой главе приведена структура программного обеспечения компьютерной системы гибридного моделирования электромагнитных полей в двигателе с полым ротором. Рассмотрены методика формирования функциональных и сервисных модулей компьютерной системы, а также средства интеграции разработанных модулей в различные среды программирования. Приведены результаты практической апробации программного обеспечения компьютерной системы гибридного моделирования и анализа электромагнитных полей.
В заключении работы подведены итоги диссертационной работы.
