автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин

На правах рукописи

РЯБУХА ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА И ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург- 2004 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный

технический университет».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Сарвин Анатолий Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Анкудинов Георгий Иванович

доктор технических наук

профессор Григорьев Валерий Владимирович

доктор технических наук,

профессор Гончаренко Роберт Борисович.

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский

проектно-конструкторский и технологический институт малых электрических машин (ВНИИМЭМ)

Защита диссертации состоится 8 июня 2004г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212244.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный технический университет» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 7 мая 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /^^¡¡«¿¿^о-^— Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Оперативная интеллектуальная поддержка управления технологическими процессами автоматизированного производства находится в ряду факторов, способствующих повышению конкурентной способности изготавливаемых объектов. Интегрирование в автоматизированную систему управления технологическими процессами расчетных модулей автоматизированной системы научных исследований является одним из путей осуществления такой поддержки. Решающую роль в формировании требуемых рабочих свойств играют параметры активной зоны объекта, на значения которых в процессе изготовления заметно влияют фактические физические свойства материалов и параметры технологических процессов. Учет влияющих факторов позволяет повысить достоверность прогнозирования функциональных характеристик изготавливаемых объектов и оперативно использовать возможности АСУТП по соответствующей корректировке параметров технологических процессов. Задача носит комплексный характер, укрупненная блок-схема решения которой показана на рис.1. Исследования в работе подчинены автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик изготавливаемых объектов на примере электрических машин. В этой области промышленности в последние годы конкурентная способность фирм на рынке (европейском, американском и др.) определяется способностью достоверно прогнозировать и оперативно формировать рабочие свойства изготавливаемых машин в соответствии с конкретным рыночным спросом. Поэтому поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь создаваемых поколений электрических машин является актуальным и представляет собой сложную научно-техническую проблему, требующую комплексного рассмотрения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских, проектно-конструкторских и технологических задач, связанных параметрическим синтезом оптимальных характеристик объектов.

з

Рис.1.Укрупненная блок - схема интегрированной АСУТП с управляющей

ЭВМ

В основе параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин лежит математическое моделирование геометрических размеров активной зоны и электромагнитных процессов. Значительный вклад в эту область внесли работы профессоров Т.Г. Сорокера и его учеников по асинхронным электродвигателям, А.И. Бертинова и его учеников по специальным электрическим машинам, В.В. Домбровского, Г.М. Хуторецкого и их учеников по крупным электрическим машинам, В И. Загрядского, Т.А. Сычевой, М.И. Фиготиной, В.А. Яковенко по взрывозащищенным асинхронным двигателям, Е.М. Лопухиной и Г.А. Семенчукова по асинхронным микродвигателям, В.В. Хрущёва и Г.В.Тазова по информационным машинам, И.Н. Рабиновича, И.Г. Шубова,

Я.С. Турина по машинам постоянного тока, Дж.А. Авестисяна, С.Г. Артанова, Ф.К. Балашова, П.Г. Билинкиса, Н.В. Виноградова, А.П. Воскресенского, В.И. Геминтерна, О.Д. Гольдберга, Ф.А. Горяинова, В.М. Зайчика, И.В. Иванова — Смоленского, Б.М. Кагана, И.П. Копылова, Т.О. Мамиконяна, Ю.В. Мордвинова, М.А. Непомнящего, И.М. Постникова, П.С. Сергеева, А.П. Сивкова, Б.В.Сидельникова, В. С. Соколова, А.А.Терзяна, Т.М. Тер-Микаэляна, В.Х. Хана, В. А. Якубзона, А.Э. Кравчика, В.М. Петрова, Р. Рихтера, В.П. Шуйского и других российских и зарубежных специалистов.

Однако известные методы математического моделирования электрических машин ориентированы на отдельные типы с присущими им геометрической конфигурацией, применяемыми материалами, технологией изготовления и уровнем проявления отдельных явлений в моделируемом режиме работы. С общих позиций имеют место специальные случаи, обусловленные ограничениями в смысле допущений, существенно сужающие области новых технических решений в конструкции, применении активных материалов и технологии изготовления. По мере выхода за пределы установленных ограничений растет различие между расчетом и опытом, что подтверждают стендовые испытания объектов. Снятие неоправданно устанавливаемых ограничений при одновременном уточнении математической модели является актуальной задачей, решаемой в данной работе. В диссертации представлен универсальный метод параметрического синтеза активной зоны электрических машин, в его основу положен принцип расчета, общий для всех типов электрических машин и не ограниченный физическими особенностями обособленных типов. Автоматизация исследовательских процедур обеспечена на основе современных компьютерных технологий. Разработаны алгоритмы для этих технологий, в основе которых результаты детальных исследований характеристик электрических машин, формируемых различными сочетаниями конструктивных компонентов.

В работе рассматривается ряд других технических идей. Часть из них представляются очевидными и нуждались в детальной проработке

(аналитическом описании и способах учёта), они доведены до практической реализации. Другие идеи остаются на уровне гипотез. Однако, для изготавливаемых электрических машин, в том числе и на основе компьютерной реализации разработанного метода, получены достаточные для дальнейшей проработки признаки достоверности. Работы проводились в рамках государственных программ и координационных планов академии наук, по ведомственным тематическим заказам, по договорам с отечественными и зарубежными фирмами. Исследования подчинены решению ряда проблем параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик по фактическим значениям параметров активной зоны машин безотносительно к их типу и конструктивным решениям. Автоматизация указанных процессов сформировалась как приоритетное направление в решении проблем проектирования и изготовления машин, конкурентно способных на мировом рынке.. Приоритет обусловлен высоким уровнем развития вычислительной техники и теории электромеханического преобразования энергии, большими возможностями современной технологии изготовления, что в совокупности создаёт основу для создания объектов с повышенными потребительскими свойствами на основе традиционных и новых конструктивных решений

Цель работы и задачи исследования. Основной целью

диссертационной работы является разработка в рамках единого системного подхода научно-методологических основ автоматизированного синтеза параметров активной зоны объектов (на примере электрических машин), обеспечивающего повышение достоверности априорной оценки рабочих свойств в процессе проектирования и активное управление технологическими процессами при изготовлении машин.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ основных положений электромеханической теории, определяющих достоверность априорной оценки функциональных характеристик электрических машин.

2. Сформировать принцип построения универсальной математической модели активной зоны электрических машин, обеспечивающий автоматизацию численных экспериментов и требуемый уровень достоверности априорной оценки их функциональных характеристик.

3. Определить способы формирования, уравнений электромагнитного состояния машин с обобщенным параметром нагрузки.

4. Разработать в рамках единого подхода математическую модель активной зоны электрических машин.

5. Разработать обобщенный метод поэтапного параметрического синтеза активной зоны по заданным функциональным характеристикам машин.

6. Создать алгоритмы, автоматизации процедур параметрического синтеза активной зоны и управления качеством продукции по фактическим параметрам активной зоны в процессе изготовления.

7. Разработать пакет программ, открытый для широкого ассортимента электротехнических материалов, конструкторских решений, технологических процессов изготовления.

Методы исследований. Теоретические положения и методы,

представленные в работе, получены на основе современной теории электромеханического преобразования энергии, аналитических преобразований, математического аппарата аппроксимаций, интерполяций, дифференциального и интегрального исчислений, методов решения экстремальных задач, численного моделирования, нелинейного и линейного программирования.

Аналитические исследования и численные решения' осуществлялись в соответствии с общепризнанными физическими теориями и законами. Правильность предложенных методов формирования обобщённых транспорантов рекурентных зависимостей проверялась, сравнением технических характеристик промышленных объектов с результатами их расчёта с помощью разработанного программного комплекса в режиме поверочных расчётов. Для подтверждения результатов расчета использовались результаты

стендовых испытаний объектов, спроектированных на базе предложенных методов.

Научная новизна полученных результатов состоит в системном аналитическом описании совокупности автоматизированных процедур параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин. Наиболее существенные научные результаты, полученные автором, следующие:

1. Метод активного управления технологическим процессом изготовления электрических машин по фактическим значениям геометрических и физических параметров элементов активной зоны.

2. Развитие прикладных аспектов электромеханической теории, определяющих адекватность моделирования режимов работы объектов.

3. Обобщенная математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных параметров активной зоны с линейной токовой нагрузкой - якоря в качестве независимой переменной.

4. Математическая модель и алгоритм синтеза оптимальных геометрических параметров активной зоны объектов.

5. Способ экспресс-анализа влияния отклонений функционально значимых технологических и физических параметров.

6. Методика синтеза параметров активной зоны и - характеристик объектов, исключающая необходимость обработки зависимостей дискретного характера в процессе поиска.

7. Способ управления количеством и очередностью варьирования независимых переменных на стадии параметрического синтеза функциональных свойств объектов.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют: 1. Разработанные научно-методологические основы автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин различного назначения, компьютерная, реализация которых позволяет эффективно и с наименьшими затратами времени оценивать

признаки конкурентной способности и активно управлять технологическими процессами с ориентацией на конечный результат.

2. Программный комплекс, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

3. Использование программного комплекса в автономном режиме при промышленном и учебном проектировании.

Материалы диссертационной работы были использованы рядом научно -исследовательских, проектно-конструкторских и промышленных предприятий (ВНИИ Электромашиностроения, ВНИПТИЭМ (Владимир), «Электросила», ЛЭМЗ, ВНИИМЭМ, ЦНИИ им. Крылова, «Заря») при модернизации существующих и проектировании новых электрических машин различного назначения, а также учебными учреждениями в учебном процессе СЗТУ (С.-Петербург), ИЭИ (Иваново), КПИ (Самара), ВЗПИ (Москва) и др.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16 конференциях, в том числе на 3 республиканских и на 2 международных семинарах.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 32 публикациях, включая две монографии, и в 18 отчётах о НИР.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, раскрыта её проблематика и разъясняются предлагаемые способы решения проблемы. Сформулирована базовая концепция автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик изготавливаемых объектов. Суть этой

концепции составляют два аспекта: системное описание математических моделей и функциональная полнота алгоритмов. Системное описание математических моделей в данном случае предполагает исчерпывающий анализ их собственных функциональных свойств как самостоятельных процедур и во взаимодействии между собой. Под термином «функциональная полнота» понимается возможность создать максимально развитое программное обеспечение на общем физическом принципе.

В первой главе анализируются требуемые функциональные свойства адекватной математической модели (в дальнейшем просто модели) объекта и обосновывается выбор состава независимых переменных.

Под моделью здесь понимается совокупность формул (транспорант рекурентных зависимостей), позволяющих для принятого состава «проектных» параметров xt, x , ..., хп , являющихся независимыми переменными модели, рассчитать объект, т.е. определить все необходимые зависимые переменные yp у2, ..., ут , характеризующие все его рабочие свойства, с удовлетворением функций-ограничителей и критерия оптимальности.

Разрабатываемая на основе теории процессов функционирования объекта и методик его расчета модель определяет возможность получения достоверных результатов для определенной совокупности рабочих свойств объекта в зависимости от учтенных в модели взаимосвязей между «проектными» параметрами и рабочими свойствами; Чем менее полный учет взаимосвязей, тем, с одной стороны, проще модель, а с другой - она приобретает более специальный характер, когда достоверные результаты касаются все меньшего числа рабочих свойств.

Различная степень специального характера в указанном смысле присуща моделям, рассматриваемым во всех опубликованных работах, и может быть объяснена стремлением уменьшить объем вычислений. В связи с этим можно отметить работы проф. С.Г. Артанова, проф. И.М. Постникова, в которых удаюсь выполнить оптимизацию аналитическим путем, и работу проф. D.J. Wilde, в которой используемые модели объектов проектирования делают

возможной оптимизацию с помощью простого микрокалькулятора или позволяют вообще обойтись без него. Следует, однако, иметь в виду, что эти несомненные достоинства обусловливают существенно специальный характер применяемых моделей.

Электрическая машина является сложным объектом расчета и оценки его функциональных характеристик. Оцениваются как электромеханические, вибро - акустические и тепловые характеристики, так и затраты на изготовление. При практическом проектировании распространено определение параметров проекта, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики в установившихся режимах работы. Только в специальных случаях определяющими для параметров проекта являются переходные режимы. Поэтому ограничение рассмотрения только стационарными режимами соответствовало бы в основном положению, установившемуся в практике проектирования электрических машин. Но даже при этом условии возникают большие (а может быть и непреодолимые) трудности при разработке модели, которая охватывала бы в полной мере все статические эксплуатационные характеристики в функции конструктивных параметров машины. Объясняется это тем, что современный уровень теории процессов в электрической машине позволяет с приемлемым уровнем достоверности рассчитывать только электрические и механические рабочие свойства, а также затраты на изготовление машины. Что же касается, например, тепловых рабочих свойств, то применимость всех известных способов тепловых расчетов и их точность для практического использования часто сомнительны, так как они предполагают знание скоростей охлаждающего агента и соответствующих коэффициентов теплоотдачи, которые подвержены очень сильному влиянию технологии изготовления, большой нерегулярности и почти не поддаются достоверному расчету. Следовательно, структура достоверной модели может быть ограничена стационарными электромеханическими процессами и затратами на изготовление машины. В этом случае модель будет удовлетворять

необходимому условию существования достоверной теории, на основании которой она разрабатывается.

Выбор состава независимых переменных модели основан на анализе взаимозависимостей рассчитываемых параметров и эксплуатационных характеристик. Для установления такого рода взаимосвязей рассчитываемые параметры с одинаковым воздействием на эксплуатационные характеристики объединены в группы, называемые в дальнейшем параметрическими [1]. Такими группами являются:

1. Параметры отвода тепла, которые, в частности, определяются способами отвода выделяющегося тепла, характеристиками охлаждения лобовых соединений обмоток, числом и расположением каналов охлаждения, типом изоляции и свойствами охлаждающего устройства.

2. Основные размеры, определяющие объем машины и охватывающие наружный и внутренний под вал или втулку вала диаметры, а также конструктивную длину Ь сердечника якоря.

3. Число зубцов (или полюсов) Z¡ внешнего и 2г внутреннего магнитопроводов.

4. Параметры пазовых слоев, состоящие из высот пазов и площади пазов наружного и И„г и внутреннего магнитопроводов, размеров шлицов Лш/,

и «клиновых» частей пазов , диаметра

расточки якоря Б, а также числа эффективных проводников в пазу Ыщ, / а, приходящихся на одну параллельную ветвь обмотки якоря.

Влияние этих четырех параметрических групп на тепловые, виброакустические, электромеханические рабочие свойства и затраты на изготовление очень взаимозависимо, что можно видеть из рис.2 Различаются сильные (сплошные) и слабые (пунктирные) связи. Так, например, тепловые свойства определяются главным образом параметрами отвода тепла и основными размерами и в незначительной мере зависят от числам зубцов и параметров пазовых слоев. В то же время эти две последние параметрические

группы позволяют существенно изменять и формировать электромеханические рабочие свойства в границах, определяемых основными размерами.

Рис. 2

Одновременно при этом выбор числа зубцов является определяющим для вибро -акустических свойств и мало влияющим на трудоемкость изготовлениям машины. Очевидно также, что определение размеров пазовых слоев и основных размеров с вибро - акустической точки зрения может быть целесообразным только в исключительных случаях, так как стоимость изготовления существенно зависит от параметров пазовых слоев и в еще большей мере от основных размеров, находящихся в тесной связи с параметрами отвода тепла. Но, несмотря на эти сложные взаимосвязи, параметры отдельных групп могут определяться, как показывает опыт "безЭВМного" проектирования, независимо друг от друга при условии, что исходные данные находятся в технически-целесообразной области (например, соответствуют уже выполненным аналогичным машинам). В этом случае весь процесс проектирования можно

разделить на три стадии, на каждой из которых осуществляется частичная оптимизация машины.

На первой стадии определяются параметры отвода тепла и основные размеры. Параметры отвода тепла выбираются так, чтобы при возможно меньшей стоимости изготовления машины отводился максимум тепла. Критерием удовлетворения этих требований являются значение коэффициента использования активного объема машины С, (коэффициента Эссона) и допустимые потери в обмотках, соответствующие конструкции машины. Основные размеры, определяемые по этим двум установленным величинам, для технически целесообразных проектов лишь незначительно изменяются при варьировании параметров пазовых слоев. Если же ставится задача определения основных размеров чисто теоретическим путем по заданным критериям оптимальности, то необходимы прежде всего достоверные расчетные соотношения для коэффициентов теплопередачи, которые, как уже отмечалось, существенно зависят от технологии изготовления и характеризуются большей нестабильностью.

На второй стадии проектирования может быть конструктивно определено число зубцов. Оно должно быть выбрано так, чтобы не вызвать нежелательного воздействия на электромеханические эксплуатационные параметры (рассеяние, дополнительные моменты и потери) и получить удовлетворительную картину шума. При этом следует иметь в виду, что число зубцов оказывает влияние, пусть даже и в незначительной мере, на тепловые свойства и стоимость изготовления машин.

На третьей стадии проектирования определяются параметры пазовых слоев, которые должны удовлетворять условиям достижения наилучших требуемых эксплуатационных характеристик в диапазоне значений, обусловленных главным образом основными размерами и в незначительной мере числом зубцов. При этом следует обратить внимание на то, чтобы при установленных параметрах пазовых слоев потери в обмотках не превысили значений, принятых на первой стадии проектирования.

Из изложенного следует, что общую модель машины можно представить в виде связанных между собой подмоделей, соответствующих каждой параметрической группе. Эти подмодели можно оптимизировать отдельно и затем согласовать друг с другом в рамках общей программы расчета. Однако, несмотря на теоретическую возможность оптимизации всех подмоделей, практически целесообразной является оптимизация только четвертой из них (третья стадия проектирования), так как только для нее существуют наиболее достоверные методики расчета. Таким образом, принятие параметров пазовых слоев в качестве проектных параметров позволяет получить оптимизируемую' модель электрической машины. Параметры отвода тепла, основные размеры и число зубцов рассматриваются при этом как заданные неизменные величины. Поскольку при оптимизации такой модели тепловые свойства машины, несмотря на слабые связи, могут измениться (обычно улучшиться), то не представляет труда соответственно скорректировать основные размеры (обычно в сторону уменьшения) и вновь предпринять с этими значениями оптимизацию эксплуатационных параметров.

Параметры пазовых слоев тоже влияют на стоимость изготовления машины, хотя и в значительно меньшей мере, чем основные размеры. Определим, какие составляющие стоимости могут быть учтены в оптимизируемой модели. Как известно, стоимость изготовления складывается в основном из стоимости материалов и производственных расходов. Рассмотрим отдельно связь параметров пазовых слоев с этими двумя составляющими. Стоимость материалов существенно зависит от объемов изоляции, количеств используемых меди (вообще проводниковых материалов) и стали. Объем изоляции при прочих одинаковых условиях пропорционален общему периметру пазов наружного и внутреннего магнитопроводов. Объем обмоточного материала при неизменной длине машины пропорционален общей площади пазов наружного и внутреннего магнитопроводов, т.е. также является непосредственной функцией параметров пазовых слоев. Итак, объем изоляции и обмоточного материала, а, следовательно, и соответствующая составляющая

стоимости материалов непосредственно зависят от параметров пазовых слоев, и поэтому эта характеристика может быть включена в процесс оптимизации. Иначе обстоит дело с составляющей стоимости, соответствующей объему стали. Последний определяется основными размерами, которые устанавливаются прежде всего в зависимости от требуемых тепловых свойств машины и соответствуют коэффициенту использования активного объема. Последующая штамповка пазов не влияет на эту составляющую стоимости. На этом основании стоимость стали в процессе оптимизации может приниматься неизменной.

Производственные расходы лишь незначительно зависят от параметров пазовых слоев, поскольку размеры пазов и диаметр расточки мало влияют на стоимость штамповки. Поэтому при оптимизации эксплуатационных параметров эта составляющая стоимости также может приниматься неизменной.

Таким образом, разрабатываемая адекватная модель должна отражать следующие аспекты:

1. Достоверную теорию функционирования объектов.

2. Единый подход к расчету всех возможных режимов работы различных типов объектов, объединенных общей достоверной теорией.

3. Охват всех взаимосвязей между проектными параметрами и эксплуатационными характеристиками не зависимо от традиционной степени проявления взаимосвязей в моделируемом режиме работы объекта.

4. Выбор состава проектных параметров, обеспечивающих в рамках единого подхода целесообразную по требуемым ресурсам структуру модели объектов.

5. Возможность моделирования не традиционных для объектов инженерных решений.

Во второй главе рассмотрена методология моделирования геометрических размеров активной зоны вращающихся электрических машин, суть которой заключается в следующем.

Для получения возможности охвата подавляющего числа' возможных конфигураций пазов паз представляется, состоящим из участков простейших геометрических форм в виде прямоугольника, трапеции, и полукруга. Предусматриваемое количество участков может быть любым и определяется предполагаемой конфигурацией паза самой сложной формы. Фактическому отсутствию того или иного участка соответствует нулевое значение его высоты. Нумерация участков производится в направлении от воздушного зазора между внешним и внутренним магнитопроводами. Каждый участок имеет две границы: первую - ближе к воздушному зазору и вторую - дальше от него. В частном случае вторая граница предыдущего участка совпадает с первой границей последующего. С учётом индекса магнитопровода (индекс " 1" присвоен внешнему магнитопроводу, а индекс "2" - внутреннему) геометрические размеры по ширине участков являются, трёхмерными-массивами. Аналогичное представление принимается для участков зубцов, что обеспечивает взаимное соответствие участков паза и зубца. Индексом "и" обозначаются геометрические размеры и параметры паза, а индексом V -геометрические размеры и параметры зубца. Для характеристики параллельности стенок на участке паза или зубца вводится отношение меньшей ширины участка к большей, обозначаемое . Очевидно, что при

стенки участка являются параллельными, а при - непараллельными.

При выполнении пазово - зубцового слоя, содержащего Z пазов (зубцов) площадью 8, получаем:

для случая зубцов с параллельными стенками

А - (Б. / К - л к / г)!( 5, / к + я к / г);

для случая пазов с параллельными стенками

А - / К - лы гщ5г/л2 + тгм г)

Ширина участков определя Ьтт = (2БIИ) * [А/(I + А)],

¿Я,„ = Г25/АГ РЦ1 + А)],

а для площади участка имеем S~k*b„ax*(l+A)t2 или S = h*bmn*(l+А)12Д

Очевидно, что ширина участка, обратно пропорциональна высоте при неизменной его площади и пропорциональна площади этого участка при неизменной его высоте. Иначе обстоит дело с участком полукруглой формы, когда его размеры (ширина, высота и площадь) одновременно определяются радиусом г. Если ширине границ b1 и b2 полукруглого участка поставить в соответствие центральные углы до получаем:

S = S¡2 /{[aj-sin (а,)]-[( а2 - sin (ctj]}/.

Обычно один из центральных углов опирается на диаметр, т.е. равен я, а

другой - равен нулю или определяется шириной щели, являющейся шлицом. В

случае двойного паза один из центральных углов определяется шириной

перемычки между пазами.

Границам i — го участка паза поставим в соответствие диаметры D(i, к) с их

порядковой нумерацией от воздушного зазора для каждого к — го

магнитопровода (к = 1,2). Тогда первые диаметры D1k однозначно определяются

диаметром расточки якоря D и воздушным зазором «5:

D(1,J) = D,

D(l,2) =£>- 2 4

если якорем является внешний магнитопровод, или

D(l,l) =D + 24

если якорем является внутренний магнитопрвод.

Следующие диаметры рекурентно определяются высотами участков паза

D(i+1, к) = D(i, к) - (-1) k2h„(i, к) ,

где i = 1, 2, ....,Ц — порядковый номер участка паза (паз содержит fi

участков), k= 1,2 - номер магнитопровода.

Для зубцовых t, (n,k) и полюсных Г (п,к) делений соответствен но-получается

tz(n,k) = *D(n,k)/Zt, т(п,к) = л D(n,k) / (2р),

где л = 1,2,... - индекс диаметра.

Высота участка магнитопрвода, служащая для замыкания магнитного потока, называемая ярмом для внешнего магнитопровода и спинкой — для внутреннего магнитопровода, определяется абсолютным значением зависимости

h i (к) = /D(ft+I,k)/2 - Dfak) /2 ¡,

где - является наружным диаметром внешнего

магнитопровода и внутренним диаметром внутреннего магнитопровода.

В общем случае произвольной конфигурации зубцов ширина границ участка зубца определяется зависимостями

bz(l,i,k) = t2(i,k)~bn(lli,k), bt(2,i,k)=tz(i+l,k)-bn(2,i,k).

Площадь участка зубца.

St(i,k) = 0.25л | [— D2('+1,к) ] | /Zk-Sn(i,k) .

Конструктивная длина сердечников L отличается от расчетной длины Ls вследствие влияния на поле в зазоре радиальных вентиляционных каналов и торцевых частей магнитопроводов. Тогда взаимозависимость конструктивной длины сердечников и расчётной длины машины определяется зависимостью

L = L/j+ пр К Ьрк ±2 6,

в котором минус принимается для индуктора. Используются также другие известные соотношения, в которые входит длина активной стали Lcm'.

1>ст=£'-ПрК Ь р к>

Первоначальные значения независимых переменных модели могут быть заданы на основе опыта проектирования или установлены расчетным путём по

тем или иным методикам (пример такого расчёта приведён в диссертационной работе). Дальнейшее изложение предполагает, что все независимые переменные подлежат расчету, т.е. не заданы желаемые значения ни одной зависимой переменной, и модель должна работать в режиме поиска в полном объёме. Противоположным по объёму поисковых расчетов является режим поверочных расчетов, когда выполняется расчет только вспомогательных геометрических размеров, а значения всех остальных заданы в виде желаемых значений.

Для обеспечения возможности применения модели для анализа и синтеза геометрических размеров различных, типов вращающихся электрических машин предусматривается:

1.Представление междуполюсных окон и явно выраженных полюсов как пазово —зубцового слоя с параллельными стенками ( А г =/).

2.Формирование конфигурации как одинарных, так и любых других пазов путем составления паза из участков простейших геометрических форм — прямоугольника, трапеции и полукруга в любом их сочетании. З.Осуществление прверочных расчетов при задании на входе геометрических форм и размеров участков паза, диаметров, длин и чисел эффективных проводников в пазах с указанием чисел параллельных ветвей обмоток. 4.Осуществление синтеза параметров активной зоны объектов путем варьирования проектных параметров, включающих высоту и площадь базового (произвольно выбираемого) участка, по геометрическим размерам которого в соответствии, с желаемыми соотношениями определяются геометрические размеры остальных участков паза.

5.Текущая (в масштабе реального времени) оценка геометрических размеров, входящих в конструкционно - технологические ограничители (ширина зубца; высота ярма или спинки в долях соответствующего наружного диаметра, а также в долях высоты зубца; радиальный воздушный зазор в долях диаметра расточки якоря; высота и ширина шлица в долях толщины листа и т. п.).

б.Расчет «по заказу», т. е., если на входе значение равно нулю, то оно подлежит расчету.

В третьей главе рассмотрен аналитический механизм расчета электромагнитного и теплового состояния объектов, соответствующий технологии вычислительного эксперимента, т.е. позволяющий прогнозировать результаты предстоящих испытаний изготавливаемых объектов. Задача в такой постановке ранее не рассматривалась, ее постановка обусловлена решаемой в диссертационной работе проблемы оперативного управления технологическими процессами с целью обеспечения функциональных характеристик конкурентно способных объектов. Решение поставленной задачи оказалось возможным благодаря тому, что автором разработана методика, позволяющая устанавливать состояние объекта для текущего значения его нагрузки. В качестве параметра нагрузки принимается линейная токовая нагрузка якоря А которой после установления параметров активной

зоны объекта соответствует ток в обмотке якоря I - А > где Б —

диаметр расточки якоря; т — число фаз обмотки якоря (для машин постоянного тока принимается m=l); число последовательно соединенных витков фазы обмотки якоря (число витков параллельной ветви). Заметим, что в относительных единицах ток и линейная нагрузка имеют одинаковые значения. Ключевым моментом в обсуждаемой методике является определение угла между векторами тока и напряжения обмотки якоря.

Для коллекторных машин постоянного тока совср принимается равным единице. Для синхронных машин СОвф по величине и характеру (опережающему или отстающему) может задаваться (при условии обеспечения соответствующего регулирования тока возбуждения в случае параллельной работы с сетью) или определяться нагрузкой (для автономно работающих генераторов). В других случаях га^ подлежит расчету для каждого значения нагрузки. Из -за реакции якоря мдс индуктора Т7, отличается от мдс р£ , необходимой для проведения магнитного потока по магнитной цепи машины,

на величину AF = F„- . С другой стороны AF = Fq¿ ± F„¿ (знак «+» — для случая размагничивающей реакции якоря, знак «-» - для случая намагничивающей реакции якоря). В связи с этим

ЛF'-f*- l'costp * • ГsinV,

где f4d - коэффициент, определяемый эквивалентированием поперечной мдс обмотки якоря с учетом насыщения магнитной цепи по поперечной оси машины;/^, — коэффициент, определяемый эквивалентированием продольной мдс обмотки якоря с учетом насыщения магнитной цепи по продольной оси машинь1;Т|> - угол между вектором тока якоря и поперечной осью машины. Обозначив tgitf2=x, имеем (AF' +fqd-í) ±('2fu¡f)x + (AF''/^-í) =0. Для режимов работы, когда AF +fqd'I **0, получаем.

Если AF' +f4dmí -0, находим х = - AF' / (f„jl )

(случай намагничивающей реакции якоря, когда Далее определяются

Имея в виду, что <р - 0| (8 - угол между напряжением U_ и поперечной осью машины), а

(знак «-» - для генератора,«+» - для двигателя), для коэффициента мощности находим

COS ф - cosг|> • cos в + sinty • sin 0.

Для асинхронных машин обычно всегда подлежит расчету. Для расчета costp можно воспользоваться круговой диаграммой токов, соответствующей текущей нагрузке и текущим электромагнитным параметрам. Обозначим о, -х^/х., - частичные коэффициенты рассеяния

(первичный и вторичный), - коэффициент общего

рассеяния, а угол а определим зависимостью радиуса круга и координат его центра получим

.Тогда для

Обозначим tg~ — x и для коэффициента мощности имеем cos ср = |—.

где

(знак «+» — для генератора, «-» — для двигателя).

Дальнейший расчет также отличается от традиционного расчета рядом существенных моментов. Прежде всего, это касается расчета магнитной цепи объектов путем интегрирования мдс по высоте участков зубцово- пазовых слоев с учетом ответвления потока в паз, что снимает ограничения на геометрическую конфигурацию и магнитную загрузку участка. Расчет потерь в стали также выполняется путем интегрирования потерь по участкам, при этом рассчитываются отдельно потери на гистерезис и вихревые токи.

Отличительной особенностью теплового расчета объектов является определение их функциональных характеристик в моделируемом режиме работы для любой задаваемой температуры и для фактической, получаемой в результате теплового расчета, который в этом случае неизбежно приобретает итерационный характер.

Анализ предложенного теоретического механизма расчета электромагнитного и теплового состояния объектов приводит к следующему заключению:

1.Принятие линейной токовой нагрузки в качестве параметра электрической нагрузки объекта позволяет в рамках единого подхода построить обобщенную модель объектов, объединенных единым принципом электромеханического преобразования энергии.

2.По предложенной методике расчет выполняется сразу для требуемой нагрузки и отпадает необходимость рассчитывать параметры режима холостого хода с их последующей корректировкой для нагрузочных режимов работы.

3.Единый подход к расчету всех режимов работы обеспечивает соблюдение баланса мощностей, что соответствует реальным физическим процессам.

4.Предложенная система относительных единиц с плавающим базисным током обмотки якоря позволяет, принимая относительное значение тока якоря, равное единице, выполнять расчеты до установления числа витков обмотки.

5.Предложенный способ расчета ЭДС обмотки якоря до установления числа витков делает модель пригодной для синтеза геометрических размеров активной зоны объекта во взаимодействии с обобщенной моделью геометрических размеров, в которой параметры пазовых слоев принимаются в качестве проектных.

В четвертой главе представлены теоретические исследования по применению обобщенной модели объектов для параметрического синтеза и оценки их функциональных характеристик.

Общая задача параметрического синтеза описывается следующей системой уравнений:

У, = У1(ХьХ2.....X,,х„),

У2 = У2(Х|,Х2.....XJ.....Х„),

У| = У|(Х|. х2, «., Х^х„),

Уш = Ут(Хь Х2, хл> Х„).

Каждая комбинация проектных параметров

удовлетворяющая эту систему, является допустимым решением, которое в

общем может и не приводить к оптимальному проекту. Вместе с тем большое число рассчитанных по этой системе и изготовленных образцов машин показывает, что существуют комбинации независимых переменных х^ х„) , которые дают оптимальный проект. На основании этого практического опыта следует считать, что:

1) существуют оптимальные решения;

2) множество оптимумов ограничено.

Эти положения позволяют целеустремленно направить усилия на построение дальнейшего хода расчетов. Встает только вопрос, как аналитически сформулировать критерий- оптимальности объекта с учетом технико-экономических и конструкционно-технологических требований. В общем случае технически целесообразный проект должен удовлетворять ряду условий: эксплуатационные величины не должны быть больше или меньше заданных значений с конструктивной точки зрения для отдельных

расчетных параметров допустим некоторый диапазон (наибольшее и наименьшее значения в котором обозначаются через соответственно).

Аналитическая формулировка этих требований приводит к простым неравенствам:

Соблюдение этих неравенств необходимо только лишь для оптимального

объекта, который характеризуется еще и тем, что некоторые величины

(например, стоимость или любые другие эксплуатационные параметры) при

этих дополнительных условиях принимают экстремальные значения: у, = экстремум.

Аналитическое доказательство существования минимума связано с трудностями, обусловленными, с одной стороны, нелинейностью магнитных свойств стали и сложностью аналитических зависимостей, подлежащих исследованию, а с другой, - только ступенчато возможным изменением:

Индукции в воздушном зазоре, так как число проводников в лазу должно быть только целым, а для двухслойных обмоток желательно еще и четным. Расчетная трудоемкость метода значительно уменьшается благодаря предварительной оптимизации, целью которой является получение проекта, возможно ближе лежащего к оптимальному, когда синтез оптимальных параметров становится возможным с помощью методов линейного программирования. В то время как последнее принципиально может быть распространено на другие технические проблемы, способы предварительной оптимизации объекта являются специфическими и должны быть приспособлены к соответствующей конкретной проблеме. Особенно хорошего результата можно добиться тогда, когда для предварительной оптимизации может быть установлена проектная модель, которая, несмотря на принятые упрощающие предложения, содержит еще существенные взаимосвязи и позволяет простыми математическими средствами находить решения, применимые для различных проектных вариантов.

Для вращающихся электрических машин одним из определяющих факторов является требуемое намагничивание. При его увеличении в электрических машинах возрастают потери на возбуждение, а в асинхронных машинах еще и уменьшается коэффициент мощности. На основании этих факторов предложена гипотеза о возможности принятия минимума требуемого намагничивания в качестве критерия предварительной оптимизации. В данном разделе диссертации изложены исследования в рамках этой гипотезы. Для проверки и разработки гипотезы предприняты: 1.Обобщение опыта предшествующих исследований.

2.Теоретический анализ зависимости требуемой МДС от проектных параметров.

З.Оценка уровня требуемого намагничивания в изготавливаемых промышленных проектах по результатам вычислительного эксперимента.

При неизменных значениях 0„1 и 0,а требуемая МДС Р^ зависит главным образом от проектных параметров

Сначала исследуется влияние на МДС отдельных проектных параметров в предложении, что все другие, за исключением рассматриваемого, являются постоянными. Из физически понятных соображений следует, что функции

имеют по одному минимуму и многомерная функция

при заданных значениях также обладает экстремумом,

поскольку зависимости (4.1) представляют собой двумерные проекции функции (4.2) . Минимальное значение функции обозначим через Ре- т,п . Эта характеристика уменьшается по мере уменьшения площади пазов в связи с магнитной разгрузкой цепи со сталью (рис.7). На рис. 6 показан также характер функции . Из рассмотрения этих кривых можно сделать вывод, что

исходная точка не должна располагаться в области слишком маленьких площадей пазов, так как тогда потери принимают слишком большое значение и, несмотря на незначительную МДС, получается технически неприемлемая машина. С другой стороны, также нецелесообразно выбирать рабочую точку в минимуме потерь,

Fct.PI

Телтпеаш яриемима» «вшкт

, т.к. этот минимум наступает только при

/

\

\

ч

ч

V,

1

/

/

/

/ относительно больших площадях пазов, /Е* так что вследствие большой требуемой МДС становятся неприемлемыми потери на возбуждение и коэффициент

Рис.3

мощности для асинхронных машин. Следует ожидать, что исходная точка будет технически целесообразной, если принимается компромисс между этими

двумя тенденциями расчета. Компромисс достигается обычно тем, что исходят из технически приемлемого КПД, который служит определяющей величиной для площадей пазов Б £„. Для данного значения Э находят остальные пазовые параметры так, чтобы Рст ( Ь „/, Ь^, О) была минимальной. Объем вычислений при расчете этих параметров невелик. По результатам исследований выполнена разработка программного обеспечения предварительной оптимизации.

Расчеты ряда хорошо зарекомендовавших себя проектов машин показывает, что установление исходной рабочей точки с учетом требования минимальной МДС приводит к результатам, уже очень близко лежащим к оптимуму. Рабочая точка, определяемая предварительной оптимизацией, поразительно хорошо совпадает с оптимумом для четырех полюсных высоко использованных машин. Этого результата следовало ожидать. Именно для этих машин МДС обладает очень острым минимумом, так что незначительные отклонения от этой точки уже вызывают значительное увеличение намагничивающего тока и существенное уменьшение коэффициента мощности в асинхронных машинах. Поскольку оба эти- эксплуатационных параметра являются важными критериями проекта и при точной оптимизации воздействуют на расчетные параметры аналогичным образом, оптимум и найденная исходная рабочая точка для этого типа машин не могут существенно различаться. В многополюсных машинах, напротив, появляется различие между исходной рабочей точкой и оптимумом до 25%. Это объясняется тем, что магнитная цепь

со сталью в этих машинах нагружена относительно меньше и минимум МДС существенно шире. Аналогично обстоит дело со слабо использованными четырех полюсными машинами. Для таких машин область возможных вариаций проектных параметров более широка. При дальнейшей оптимизации в качестве критерия оптимальности принимается любое одно или с соответствующими весовыми коэффициентами любая совокупность рабочих свойств объекта проектирования. Разработанное программное обеспечение позволяет варьировать до 7 проектных параметров в качестве независимых переменных в любом сочетании и в любой последовательности. Последнее предлагается в качестве альтернативы известным применяемым приемам (например, повторению расчетов с другими значениями исходных данных) для определения характера находимого минимума (локального или глобального).

В пятой главе приведены материалы по практической реализации метода параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин.

Практическая реализация результатов исследований представлена рядом аспектов, из которых основными являются:

/ Применение программного комплекса для прогнозирования характеристик стендовых испытаний объектов

Расчетное определение функциональных характеристик объектов в рамках осуществления вычислительного эксперимента открывает возможность оперативного решения широкого круга задач технико-экономического и производственно-технологического характера. Очевидно, что такая возможность эффективна как до изготовления разрабатываемого объекта так и после его изготовления, имея ввиду стоимость испытательного стенда и самих испытаний, проводимых на нем. При этом естественным желанием является получение одинаковой совокупности виртуальных и стендовых характеристик, позволяющих непосредственное сравнение их друг с другом. Таким образом, здесь идет речь о необходимой подчиненности программного обеспечения интересам производства. Последнее должно обеспечиваться теоретическим

фундаментом предложенных методов, математических моделей, алгоритмов и методик расчета достаточно сложной совокупности явлений, протекающих в реальных электромеханических объектах.

Обширной программой стендовых испытаний обладают асинхронные машины с коротко замкнутым ротором. Наиболее информативными являются зависимости от напряжения рабочих свойств при номинальной мощности. Ниже на рисунках приведены характеристики таких машин с литыми беличьими клетками мощностью 3 кВт (рис.4 - медь, рис.5 - алюминий) и 75 кВт (рис.6 — алюминий). Расчетные характеристики показаны пунктиром. Расчетные значения представлены в соответствующих таблицах. Отклонения лежат в диапазоне ±5%.

Приведенные данные показывают удовлетворительную с инженерной точки зрения корреляцию расчетных и экспериментальных характеристик объектов. 2. Применение разработанных методов при выполнении научно-исследовательскихработ в интересах промышленности

Под научным руководством автора был выполнен ряд работ в интересах различных министерств по созданию программного обеспечения научно-исследовательского характера на основе разработанных методов параметрической оптимизации и оценки функциональных характеристик электрических машин. В перечень таких работ входят:

«Теоретические и расчетные исследования трех пакетного синхронного двигателя»;

« Исследования и разработка модуля («Расчет асинхронных двигателей с к.з. ротором») для учебно-проектной САПР»;

- «Исследование и разработка программного обеспечения расчетов нерегулируемых машин переменного тока»;

- «Исследование и разработка программного обеспечения расчетов регулируемых машин переменного тока»;

- «Исследование и разработка программного обеспечения расчетов тяговых электрических машин переменного тока».

зо

260 300 340 ЗЮ 420 «0. 900 940

и

И

Рис.4. Зависимости от напряжения рабочих свойств АДК 3 кВт (с литой медной беличьей клеткой)

Расчетные данные (пунктир)

и, 1, р.Г ■ е{{.

в А (со&ч>) % (П), «

360 6.41 0.88 3.99 85.5

380 6.12 0.86 3.48 86.2

400 5.92 0.84 3.08 86.7

420 5.84 0.81 2.77 86.8

440 5.93 0.77 2.52 86.5

460 6.03 0.73 2.31 86.1

Рис.5. Зависимости от напряжения рабочих свойств АДК 3 кВт (с литой алюминиевой беличьей клеткой)

Расчетные данные (пунктир)

и, I, р.Г в,

в А (СОБф) % (л).

360 6.75 0.89 8.57 80.2

380 6.31 0.88 7.16 82.2

400 6.00 0.86 6.17 83.4

420 5.81 0.84 5.43 84.2

440 5.73 0.81 4.86 84.6

460 5.83 0.76 4.41 84.4

в« р(. а I

(%| РЧ (А) »"•*■ •»

зво < зсо 340 эво 420 4во - хо: 5*0

и

И

Рис.6. Зависимости от напряжения рабочих свойств АДК 75 кВт (с литой алюминиевой беличьей клеткой)

Расчетные данные (пунктир)

и, I, р./. я, е{Г.

в А (СОЯф) % ' (л).*

319.1 167.90 0.87 2.04 93.4

358.4 150.17 0.86 1.55 94.1

407.8 141.70 0.79 1.17 94.4

440.3 145.42 0.72 1.00 94.2

482.3 160.89 0.60 0.83 93.7

496.6 165.42 0.56 0.78 93.5

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетербург «< 09 ХМ иг

3. Применение программного комплекса в учебном процессе.

Первая версия программного комплекса введена в эксплуатацию в 1982 году в Северо-Западном заочном политехническом институте (ныне СевероЗападном государственном заочном техническом университете) на кафедре электромеханики (ныне кафедре электротехники и электромеханики). С помощью программного комплекса выполняются лабораторные и контрольные работы по дисциплинам «Методы инженерного творчества», «Моделирование эксплуатационных режимов работы электрических машин» и «Специальный курс электрических машин», курсовые проекты по асинхронным, синхронным и машинам постоянного тока при изучении дисциплины «Инженерное проектирование и САПР электрических машин», студенческие научно-исследовательские и дипломные работы по проектированию, эксплуатации и ремонту электрических машин.

Опыт и результаты применения программного комплекса обсуждались на родственных кафедрах Московского заочного политехнического института, Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, Ивановского политехнического института, Самарского политехнического института, Томского политехнического института, а также в докладах:

- «Автоматизация поисковых расчетов электрических машин в учебном процессе» (10-я научно-методическая конференция СЗПИ, 1985 г.);

- «Применение обобщенной программы автоматизированного поискового расчета вращающихся электрических машин в учебном проектировании и проектно-конструкторских работах - как элемент целевой интенсивной полготовки специалистов» (Х-й научно-методический семинар «Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике», ИЭИ, Иваново, 1986 г.);

- «Программный комплекс поэтапной оптимизации электрических машин»,

- «Опыт выполнения студентами научно-исследовательских работ на основе программного комплекса поэтапной оптимизации электрических машин» (ХШ-й

научно-методический семинар «Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике», ИЭИ, Иваново, 1989 г.);

- « Организация выполнения УИРС, курсовых работ и проектов - как этапов дипломного проектирования" (ЛКИ, Ленинград, 1990 г.);

- "ЭВМ - как средство индивидуализации обучения в ведущих вузах России" (У! Республиканская научно-методическая конференция, СПИ, Самара, 1991 г.).

Основные результаты диссертационной работы

В диссертации на новой методологической основе решен комплекс задач автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин в интересах оперативного управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны научно-методологические основы, автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин различного назначения, компьютерная реализация которых позволяет эффективно и с наименьшими затратами времени оценивать признаки конкурентной способности и активно управлять технологическими процессами с ориентацией на конечный результат.

2. Предложен, теоретически обоснован, экспериментально проверен обобщенный метод математического моделирования параметров активной зоны электрических машин с линейной токовой нагрузкой в качестве независимой переменной, обеспечивающий автоматизацию численных экспериментов и требуемый уровень достоверности априорной оценки их функциональных характеристик.

3.Разработана и реализована методология поэтапного параметрического синтеза функциональных характеристик объектов, обеспечивающая оперативный учет фактических физических свойств материалов и параметров технологических процессов.

4.Создан пакет программ, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

5.Разработан программный комплекс, позволяющий в автономном режиме в процессе промышленного и учебного проектирования проводить комплексные исследования научных и технических проблем с использованием современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента. Такие исследования охватывают следующие проблемы:

- адекватность применяемых методик расчёта электромагнитного и теплового состояния объектов энергетическому балансу мощностей во всей области возможных режимов работы;

- технико-экономическая целесообразность применяемых активных материалов (электротехнических сталей, изоляций, проводниковых материалов), конструктивных исполнений, конструкционно-технологических ограничений;

- достоверность установления глобального экстремума при наличии локальных в процессе синтеза оптимальных геометрических размеров активной зоны объекта, а также при моделировании режимов его работы.

В целом выполненная диссертация является законченной научной работой, в которой решена крупная научно-техническая проблема автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин, имеющая, важное практическое применение для автоматизации управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 .Рябуха В.И. Параметрический синтез активной зоны электрических машин. -СПб.:СЗТУ,2004.-199с.

2.Рябуха В.И. Особенности моделирования установившихся режимов работы вращающихся электрических машин методом расчетного эксперимента //Научная конференция к 300-летию Санкт-Петербурга. Сб докладов. 4.1. -СПб.: СЗТУ. - 2003.- С.207 -211.

3.Рябуха В.И. Обобщенная геометрическая модель пазово-зубцовых слоев электрических машин //Электротехника, электроэнергетика и электроника. Юбилейная научно-техническая конференция. Сб. докладов. - СПб.: СЗПИ. -2000.- С.47 - 52.

3.Рябуха В.И. Состав независимых переменных при установлении параметров проекта электрической машины, исходных для оптимизации //Электротехника, электроэнергетика и электроника. Юбилейная научно-техническая конференция. Сб. докладов. - СПб.: СЗПИ, - 2000.- С.53 - 63.

4.Воробъев В.Е., Рябуха В.И., Томов А.А. Расчет трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Учебн. пособие. - СПб.: СЗПИ, -2000.- 151с.

5.Рябуха В.И., Томов А.А. Обобщенный метод расчета удельного коэффициента магнитной проводимости рассеяния пазов произвольной конфигурации //Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз. сб. Вып. 16. - СПб.: СЗПИ. - 1999.- С.92 -101.

6.Рябуха В.И. Электрические машины: Общие вопросы, теории машин переменного тока. Сборник задач с ответами. - СПб.: СЗПИ, - 1994.- 59 с.

7.Каган А.В., Рябуха В.И. Электромашинный агрегат. А.С. № 1812597. 1993.

8.Иванов В.Г., Каган А.В., Рябуха В.И. Терентьев Б.П. Электромагнитная муфта. А.С. №1775809.- 1992.

9.Каган А.В., Рябуха В.И. Способы редуцирования частоты вращения двигателей переменного тока //ЭлектроМагнитоЭффект. - 1992. - №3, США.

10.Рябуха В.И. Моделирование эксплуатационных режимов работы машин переменного тока: Избранные разделы. Лекции. - Л-д.: СЗПИ, - 1991.- 55 с. 11 .Рябуха В.И., Белова О.М., Иванов Г.И. Инженерное проектирование и САПР электрических машин: Методические указания к расчету асинхронных двигателей на ЭВМ. - Л-д.: СЗПИ, - 1990,- 27 с.

12.Рябуха В.И. Моделирование эксплуатационных режимов работы машин переменного тока: Теоретические основы. Лекции. - Л-д.: СЗПИ, - 1990.- 63 с. 1 З.Белова О.М., Иванов Г.И., Крестенина. Т.Ф., Рябуха В.И. Инженерное проектирование и САПР электрических машин: Методические указания к применению программного комплекса поэтапной • оптимизации электрических машин. - Л-д.: СЗПИ, - 1990.- 49 с.

И.Рябуха В.И. Программный комплекс поэтапной оптимизации электрических машин //Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике. XIII Всесоюзный научно-методический семинар. Сб.: «Демонстрация учебных и промышленных САПР». - Иваново: ИЭИ, - 1989.- С. 23 - 24.

15.Рябуха В.И., Брандина Е.П., Белова О.М. Электрические машины. Проектирование электрических машин: Методические указания по курсовому проектированию (расчет синхронных машин на ЭВМ).- Л-д.: СЗПИ,-1989.-30 с.

16. Каган А.В., Рябуха В.И. О технической целесообразности применения различных видов тихоходных двигателей переменного тока в высоко-моментном электроприводе //Известия вузов. Электромеханика. - 1989. - №12.-С. 96-100.

17.Каган А.В., Рябуха В.И. Некоторые особенности проектирования тихоходных синхронных двигателей с ограниченными радиальными размерами //Известия вузов. Электромеханика. - 1988. - №6.- С. 48 - 52.

18.Рябуха В.И., Брандина Е.П. Проектирование электрических машин. Расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей на ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию. — Л-д.: СЗПИ, -1986. — 17 с.

19.Печерица С.П., Рябуха В.И. Электрические машины. Асинхронные машины. Методические указания по курсовому проектированию. - Л-д.: СЗПИ, -1985.-56 с.

20.Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических машин. Л-д.: Изд-во ЛГУ, - 1984. - 130с.

21.Рябуха В.И. Концепция двухэтапной процедуры оптимизационных расчетов электрических машин //Коммутация электрических машин: общие вопросы проектирования машин постоянного тока. Республиканская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Харьков:. УЗПИ, - 1984. -С. 67-68.

22.Иванов Г.И., Рябуха В.И. Определение параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя по номинальным данным и данным холостого хода // В сб. « Проблемы автоматизации промышленности и АСУ». -Информэлектро, - 1982. - С. 64 - 78.

23.Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических, машин при заданном листе сердечника статора // В сб. «Электромеханические преобразователи и устройства». — Информэлектро, - 1981. — С. 9 - 12.

24.Левин В.Н., Рябуха В.И. Параметры схемы замещения частотно-регулируемого асинхронного двигателя, оптимального по коэффициенту мощности //Вопросы теории и расчета мощных электро-машинно-тиристорных комплексов. Сб.научн.трудов. — Л-д.: ВНИИэлектромаш, - 1979. - С. 69 - 79.

25.Рябуха В.И., Аполонов Ю.С. Синтез параметров схемы замещения частотно-регулируемых асинхронных двигателей // Электромеханические устройства автоматики: Межвуз.сб. - Л-д.: ЛИАП, -1976. -Вып. 100. - С. 170 - 177.

26.Рябуха В.И. Устройство для измерения магнитного потока в асинхронных машинах. А.С.№515078. - 1976.

27.Рябуха В.И. Регулирование скорости вращения, асинхронных электродвигателей с минимальными потерями в цепи ротора //Электромеханические устройства автоматики: Межвуз. сб. - Л-д.: ЛИАП, -1976.-Вып. 100.- С. 159-169.

28.Кононов В.П., Рябуха В.И. Проектирование самолетных генераторов постоянного тока: механический, вентиляционный и тепловой расчеты. Учебное пособие. - Л-д.: ЛИАП, - 1976.- 72 с.

29.Рябуха В.И. Асинхронный частотно-регулируемый привод. А.С.№375744. -197З.

30.Кононов В.П., Рябуха В.И. Проектирование самолетных генераторов. постоянного тока: электромагнитный расчет. Учебное пособие. — Л-д.: ЛИАП, -1972.-100 с.

31.Рябуха В. И. Процессы в асинхронном двигателе при изменении электромагнитного момента пропорционально скольжению //Известия АН СССР /Энергетика и транспорт. - 1966. - №5.- С. 71-83.

32.Рябуха В.И. Процессы в асинхронном двигателе при частотном регулировании скорости вращения по заданному закону //Известия АН СССР /Энергетика и транспорт. - 1966. - №2.- С. 82-96.

Рябуха Владимир Иванович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА И ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

МАШИН

Автореферат

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.1997. Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать 26.04.04 Формат 60x841/16

Б.Кн.-журн. П.л.2 Б.л. 1.25 РТП РИОСЗТУ

Тираж 100 экз. Заказ 801

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная, 5

У -98 89

Введение.

Глава 1. Функциональные свойства математической модели.

1.1 Необходимые свойства модели.

1.2. Качественное обоснование оптимизируемой модели электрической машины.

Глава 2. Математическая модель геометрических размеров активной зоны объектов.

2.1. Геометрические размеры пазово-зубцовых слоев.

2.2. Первоначальные значения независимых переменных.

Глава 3. Обобщенное математическое моделирование режимов работы объектов

Ф 3.1. Общие положения.

3.2. Электрические потери и активное сопротивление обмотки якоря.

3.3. Коэффициент мощности.

3.4. ЭДС обмотки якоря.

3.5. Магнитный поток и индукция в воздушном зазоре.

3.6. Расчёт магнитной цепи.

3.6.1. Общие положения.

3.6.2. Зубцы.'.

3.6.3. Ярмо (или спинка).

3.7. Потери в стали.

3.8. Механические потери.

3.9. Дополнительные потери.

0 3.10. Учёт в балансе мощностей потерь в стали и дополнительных потерь.

3.11. Оценка нагрева изоляции обмоток.

3.12. Установление режимов работы.

3.12.1. Общие положения.

3.12.2. Номинальный режим.

3.12.3. Критический режим.

3.12.4. Граничные режимы.

Глава 4. Автоматизированный синтез геометрии активной зоны объектов по заданной функции цели.

4.1. Общие положения.

Ф 4.2. Принципы осуществления поэтапной оптимизации.

4.3. Определение исходной точки.

4.4. Предварительная оптимизация.

4.4.1. Влияние параметров пазовых слоев на магнитодвижущую силу.

4.4.2. Критерии определения исходной рабочей точки.

4.4.3. Определение минимума магнитодвижущей силы.

4.4.4. Упрощение алгоритма предварительной оптимизации.

4.4.5. Результаты предварительной оптимизации.

4.5. Точная оптимизация.

4.5.1. Структура метода.

4.5.2. Геометрическая интерпретация метода.

4.5.3. Симплекс-метод и его геометрическая интерпретация.

4.5.4. Линеаризация нелинейной системы уравнений проектной задачи.

4.5.5. Построение неравенств.

4.5.6. Условия существования оптимального режима.

4.5.7. Ообенности оптимизации при наличии резервных функций.

4.5.8. Построение алгоритма точной оптимизации.

0 4.5.9. Результаты точной оптимизации.

Выводы.

Глава 5. Практическая реализация методов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин.

5.1. Области приложений.

5.2. Программный комплекс.

5.3. Применение программного комплекса в учебном процессе.

5.4. Применение разработанных методов при выполнении научно-исследовательских работ в интересах промышленности.

5.5. Применение программного комплекса для прогнозирования характеристик стендовых испытаний объектов.

Оперативная интеллектуальная поддержка управления технологическими процессами автоматизированного производства находится в ряду факторов, способствующих повышению конкурентной способности изготавливаемых объектов. Интегрирование в автоматизированную систему управления технологическими процессами расчетных модулей автоматизированной системы научных исследований является одним из путей осуществления такой поддержки. Решающую роль в формировании требуемых рабочих свойств играют параметры активной зоны объекта, на значения которых в процессе изготовления заметно влияют фактические физические свойства материалов и параметры технологических процессов. Учет влияющих факторов позволяет повысить достоверность прогнозирования функциональных характеристик изготавливаемых объектов и оперативно использовать возможности АСУТП по соответствующей корректировке параметров технологических процессов. Задача носит комплексный характер, укрупненная блок-схема решения которой показана на рис.1. Исследования в работе подчинены автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик изготавливаемых объектов на примере электрических машин. В этой области промышленности в последние годы конкурентная способность фирмы на рынке (европейском, американском и др.) определяется способностью достоверно прогнозировать и оперативно формировать характеристики изготавливаемых объектов в соответствии с конкретным рыночным спросом. Поэтому поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь создаваемых поколений электрических машин является актуальным и представляет собой сложную научно-техническую проблему, требующую комплексного рассмотрения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских, проектно-конструкторских и технологических задач [91].

Адаптация к конкретным условиям технологи» изготовления

Конструкционные н технологические параметры

Конструкционное м технолога ческое-просктирование в режиме .диалога .

Требования рынка

Формирование математической модели

Поиск оптимальных решений в режиме диалога

Расчет функциональных характеристик

Адаптация к физическим свойствам материалов

Фактологические свойства материалов

НЕТ

Материалы н полуфабрикаты

Управляемые технологические Процессы Шгоюкление к +

Устройства локальных управляющих сигналов Испытания

Формирование ценового предложения

Рис.1.Укрупненная блок — схема интегрированной АСУТП с управляющей ЭВМ

В основе прогнозирования лежит параметрический синтез и оценка функциональных характеристик электрических машин на базе математического моделирования геометрических размеров активной зоны и электромагнитных процессов.

Значительный вклад в эту область внесли работы профессоров Т.Г. Сорокера и его учеников по асинхронным электродвигателям,

A.И. Бертинова и его учеников по специальным электрическим машинам,

B.В. Домбровского, Г.М. Хуторецкого и их учеников по крупным электрическим машинам, В.И. Загрядского, ТА. Сычевой, М.И. Фиготиной, В.А. Яковенко по взрывозащищенным асинхронным двигателям, Е.М. Лопухиной и ГА. Семенчукова по асинхронным микродвигателям, В.В. Хрущёва и Г.В.Тазова б по информационным машинам, И.Н. Рабиновича, И.Г. Шубова, Я.С. Турина по машинам постоянного тока, а также Дж.А. Авестисяна, С.Г. Артанова, Ф.К. Балашова, П.Г. Билинкиса, Н.В.Виноградова, А.П. Воскресенского, В.И. Геминтерна, О.Д. Гольдберга, Ф.А.Горяинова, В.М. Зайчика, И.В. Иванова — Смоленского, Б.М. Кагана, И.П. Копылова, Т.О. Мамиконяна, Ю.В. Мордвинова, М.А. Непомнящего, И.М. Постникова, П.С. Сергеева, А.П. Сивкова, Б.В.Сидельникова, В. С. Соколова, А.А.Терзяна, Т.М. Тер-Микаэляна, В.Х. Хана, В. А. Якубзона, Рихтера Р., Шуйского В.П. и других российских и зарубежных специалистов.

Для опубликованных в печати методов параметрического синтеза и положенных в их основу теоретических разработок характерны неоправданные ограничения и допущения. Расчеты заметно отличаются от результатов испытаний опытных образцов, изготовление которых при этих обстоятельствах совершенно необходимо.

Нахождение параметров проекта без оптимизационных расчетов характерно для инженерных методик расчета конкретных типов электрических машин [52-54]. Используемые в этом случае численные коэффициенты в расчетных соотношениях отражают одновременно результаты ранее выполненных частичных оптимизаций параметров, опыт предыдущего проектирования и условия эксплуатации проектируемой машины. Таким образом, в основе проектирования лежат рекомендации по значениям рассчитываемых параметров, которые представлены в виде довольно узких численных диапазонов или соответствующих кривых и таблиц. Проектирование осуществляется методом последовательных приближений. Критерием конца итерационного процесса является удовлетворение требованиям технического задания. Степень отклонения полученного проекта от оптимального явным образом не устанавливается. Обсуждаемый путь проектирования можно осуществлять с применением малых ЭВМ, и даже простых микрокалькуляторов. Необходимый объем расчетов определяется степенью соответствия используемых рекомендаций требованиям технического задания на проектирование, а также количеством параметров, которые подлежат варьированию. Объем вычислительной работы быстро возрастает с увеличением количества варьируемых параметров и расширением рекомендуемых диапазонов численных значений рассчитываемых величин.

Для уменьшения необходимого объема вычислений идут на компромисс, когда на ряд важных эксплуатационных параметров накладывают односторонние ограничения. В результате полученная совокупность энергетических, перегрузочных и пусковых свойств, удовлетворяя наложенным ограничениям, может оказаться худшей среди возможных, которые остаются не установленными.

Установление параметров проекта путем аналитической частичной оптимизации позволяет установить степень отклонения принятых параметров проекта от оптимального варианта. Наиболее желательной является аналитическая оптимизация, в результате которой для оптимальных параметров получаются расчетные соотношения. Применительно к вращающимся электрическим машинам из-за большого количества варьируемых переменных и нелинейности системы уравнений проектной задачи полная оптимизация аналитическим путем в общем случае невыполнима. Нелинейная система уравнений проектной задачи может быть аналитически решена только для ограниченной совокупности параметров определенного состава [23, 45]. Очевидно, что возможная частичная оптимизация параметров позволяет находить оптимальный проект только в частных случаях. Частичная оптимизация параметров может быть плодотворной в случае ее применения для установления начального приближения с последующей полной оптимизацией проекта численными методами.

Поиск параметров проекта численными методами с применением теории оптимизации для решения нелинейной системы уравнений проектной задачи снимает ограничения на количество и состав искомых параметров. Этот путь установления совокупности оптимальных параметров широко используется благодаря применению ЭВМ. При этом поиск экстремума осуществляется с помощью методов традиционного математического аппарата теории оптимизации. Ответственность за применение этих методов для решения проектных задач, содержащих математические ситуации типа нелинейности, невыпуклости, отсутствия унимодальности и непрерывности, берет на себя проектировщик, иногда даже не осознавая этого. Необходимость же принятия специальных мер для обработки указанных математических ситуаций с целью корректного применения методов теории оптимизации усложняет процедуру проектирования и снижает ее эффективность. Имеющееся на этом пути разнообразие применяемых процедур обусловлено поиском компромиссного решения поставленной противоречивой задачи.

Стремление использовать при проектировании электрической машины нелинейное программирование естественно, поскольку функции-ограничения имеют нелинейный характер. Однако отсутствие эффективных математических средств надежного нахождения глобальных оптимумов, т.е. наилучших решений во всей области допустимых значений варьируемых параметров, вынуждает искать другие пути.

Очень заманчивым является использование самых эффективных методов линейного программирования. Но их применение требует наложения на решение проектной задачи условий, неизбежно придающих ей частный характер [34, 35, 37].

Этого можно избежать и иметь эффективную процедуру, если сочетать применение методов нелинейного программирования таким образом, чтобы в начале осуществлять предварительную оптимизацию методами нелинейного программирования, а затем - окончательную оптимизацию на основе линейного программирования. В этом случае процедура проектирования имеет явно выраженный поэтапный характер. Л

Алгоритм поэтапной оптимизации параметров проекта содержит три этапа.

На первом осуществляется синтез параметров, численные значения которых должны удовлетворять лишь единственному требованию - лежать в технически реализуемой области. Это условие позволяет до минимума сократить необходимое количество итерационных шагов, а зачастую вообще избежать итерационного процесса. При этом количество и состав параметров, подлежащих предварительному расчету, определяется математической моделью, используемой для оптимизации на последующих этапах. Для синтеза этих параметров могут быть с успехом использованы процедуры нахождения параметров без выполнения оптимизационных расчетов.

На втором этапе устанавливаются значения параметров проекта, которые должны уже лежать в окрестности глобального оптимума. Контроль за выполнением этого требования может быть осуществлен неявным образом по удовлетворению рассчитываемых значений заранее установленному специальному условию. Применительно к электрическим машинам в качестве такого условия может быть принят минимум магнитодвижущей силы (МДС), требуемой для проведения магнитного потока по стали магнитопроводов при одновременном обеспечении требуемых значений КПД и удельной тепловой нагрузки. Количество и состав варьируемых параметров на этом этапе также определяется используемой математической моделью объекта проектирования. Для нахождения значений этих параметров могут применяться различные методы безусловной минимизации функции многих переменных, и в частности метод прямого поиска. Предварительно оптимизированные таким образом значения параметров являются исходными для дальнейшей окончательной оптимизации проекта.

На третьем этапе на основе линеаризованной модели объекта проектирования отыскиваются значения параметров, удовлетворяющие заданному критерию оптимальности проекта (максимуму энергетических показателей, минимуму массогабаритных показателей, минимуму приведенных затрат и т.д.). Применение на этом этапе методов линейного программирования, например симплекс-метода, позволяет быстро и надежно отыскивать требуемый оптимум.

Таким образом, к началу работ, результаты которых излагаются в настоящей диссертации, существовала потребность и открывалась возможность сделать новый крупный шаг в развитии такого перспективного научного направления, как автоматизированные методы параметрического синтеза и оценки функциональных свойств электромеханических объектов.

Совокупность проектно-расчетных и технологических проблем тех или иных электрических машин, с одной стороны, и с другой — видимая возможность универсального решения для многих из них на основе автоматизированных методов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик объектов рассматриваются автором как объективные признаки актуальности данной работы.

Общей задачей настоящей работы было создание максимально развитого в пределах общего принципа программного комплекса параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин.

Подробное изложение вопросов, касающихся разработки процедуры поэтапной оптимизации параметров электрических машин, дается в последующих главах. Рассмотрение ведется так, как будто разрабатывается одна машина по заданным исходным данным, а ее производство предполагается массовым. Последнее может экономически оправдывать доведение всех данных проектируемой машины до оптимума, связанное с обеспечением необходимого станочного оборудования, набора штампов и других дорогостоящих инструментов, приспособлений и оснастки.

Однако, известные методы математического моделирования электрических машин ориентированы на отдельные типы с присущими им геометрической конфигурацией, применяемыми материалами, технологией изготовления и уровнем проявления отдельных явлений в моделируемом режиме работы. С общих позиций имеют место специальные случаи, обусловленные ограничениями в смысле допущений, существенно сужающие области новых технических решений в конструкции, применении активных материалов и технологии изготовления. По мере выхода за пределы установленных ограничений растет различие между расчетом и опытом, что подтверждают стендовые испытания объектов. Снятие неоправданно устанавливаемых ограничений при одновременном уточнении математической модели является актуальной задачей, решаемой в данной работе. В диссертации представлен универсальный метод параметрического синтеза активной зоны электрических машин, в его основу положен принцип расчета, общий для всех типов электрических машин и не ограниченный физическими особенностями обособленных типов. Автоматизация исследовательских процедур обеспечена на основе современных компьютерных технологий. Разработаны алгоритмы для этих технологий, в основе которых результаты детальных исследований характеристик электрических машин, формируемых различными сочетаниями конструктивных компонентов.

В работе рассматривается ряд других технических идей. Часть из них представляются очевидными и нуждались в детальной проработке (аналитическом описании и способах учёта), они доведены до практической реализации. Другие идеи остаются на уровне гипотез. Однако, для изготавливаемых электрических машин, в том числе и на основе компьютерной реализации разработанного метода, получены достаточные для дальнейшей проработки признаки достоверности. Работы проводились в рамках государственных программ и координационных планов академии наук, по ведомственным тематическим заказам, по договорам с отечественными и зарубежными фирмами.' Исследования подчинены решению ряда проблем параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик по фактическим значениям параметров активной зоны машин безотносительно к их типу и конструктивным решениям. Автоматизация указанных процессов сформировалась как приоритетное направление в решении проблем создания и изготовления машин, конкурентно способных на мировом рынке. Приоритет обусловлен высоким уровнем развития вычислительной техники и теории электромеханического преобразования энергии, большими возможностями современной технологии изготовления, что в совокупности создаёт основу для создания объектов с повышенными потребительскими свойствами на основе традиционных и новых конструктивных решений

Основной целью диссертационной работы является формирование научно методологических основ автоматизированного параметрического синтеза функциональных характеристик активной зоны объектов на базе единого системного подхода к математическому моделированию геометрических размеров и электромагнитных процессов.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие логически взаимосвязанные задачи, которые и определяют структуру работы: Ч

1. Сформировать принцип построения универсальной математической модели активной зоны электрических машин, обеспечивающий автоматизацию численных экспериментов и требуемый уровень достоверности априорной оценки их функциональных характеристик.

2. Проанализировать основные положения электромеханической теории в приложении . к задачам обеспечения повышения уровня адекватности математических моделей эксплуатационных режимов работы электрических машин. .

3. Разработать обобщенную ' математическую модель зависимости функциональных характеристик электрических машин от геометрических параметров их активной зоны.

4. Разработать обобщенный метод поэтапного параметрического синтеза функциональных характеристик машин по заданным требованиям.

5. Определить способы формирования уравнений электромагнитного состояния машин по обобщенному параметру в виде линейной токовой нагрузки якоря.

6. Создать алгоритмы автоматизации процедур параметрического синтеза параметров активной зоны и управления качеством продукции по фактическим параметрам активной зоны в процессе изготовления.

7. Разработать пакет программ, открытый для широкого ассортимента электротехнических материалов, конструкторских решений, технологических процессов изготовления.

При решении указанных задач использовались аналитические и численные методы современной теории электромеханического преобразования энергии, аналитических преобразований, математического аппарата аппроксимаций, интерполяций, дифференциального и интегрального исчислений, методов решения экстремальных задач, численного моделирования, нелинейного и линейного программирования.

Аналитические исследования и численные решения осуществлялись в соответствии с общепризнанными физическими теориями и законами. Правильность предложенных методов формирования обобщённых транспорантов рекурентных зависимостей проверялась сравнением технических характеристик промышленных объектов с результатами их расчёта с помощью разработанного программного комплекса в режиме поверочных расчётов. Для подтверждения результатов расчета использовались результаты стендовых испытаний объектов, спроектированных на базе предложенных методов.

Научная новизна полученных результатов состоит в системном аналитическом описании совокупности автоматизированных процедур параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин. С этих позиций научный интерес представляют:

1 .Методология формирования уравнений электромагнитного состояния объектов с принятием линейной токовой нагрузки якоря в качестве обобщенного параметра нагрузки.

2. Развитие прикладных аспектов электромеханической теории применительно к задачам моделирования эксплуатационных режимов работы объектов, всегда обеспечивающее баланс мощностей.

3.Обобщенная математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных параметров и процессов с линейной токовой нагрузкой якоря в качестве независимой переменной.

4. Способ расчета в относительных единицах с плавающим базисом для управляющей независимой переменной.

5. Математическая модель и алгоритм расчета геометрических размеров активной зоны объектов, обеспечивающие формирование произвольной конфигурации пазов совокупностью простейших геометрических форм в виде прямоугольника, трапеции и полуокружности, как на стадии поверочных, так и на стадии поисковых расчетов.

6. Способ экспресс-анализа последствия отклонений функционально значимых технологических или физических параметров.

7. Методика синтеза параметров активной зоны и характеристик объектов до установления геометрических размеров и чисел проводников обмоток, исключающая необходимость обработки зависимостей дискретного характера в процессе поиска.

8. Способ управления количеством и очередностью варьирования независимых переменных на стадии параметрического синтеза функциональных свойств объектов.

Практически значимыми являются:

1. Разработанные научно-методологические основы автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин различного назначения, компьютерная реализация которых позволяет эффективно и с наименьшими затратами времени оценивать признаки конкурентной способности и активно управлять технологическими процессами с ориентацией на конечный результат.

2. Программный комплекс, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

3. Использование программного комплекса в автономном режиме при промышленном и учебном проектировании.

Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе анализируются функциональные свойства адекватной математической модели. Качественный анализ взаимосвязей параметров и функциональных свойств объектов является основополагающим для выбора независимых переменных математической модели, а именно параметров пазовых слоев.

Во второй главе рассмотрена методология моделирования геометрических размеров активной зоны вращающихся электрических машин. Формирование конфигурации как одинарных, так и других пазов путем составления паза из участков простейших геометрических форм - прямоугольника, трапеции и полукруга в их произвольном сочетании, лежит в основе обобщенной математической модели геометрических размеров активной зоны объектов.

В третьей главе рассмотрен аналитический механизм расчета электромагнитного и теплового состояния объектов, соответствующий технологии вычислительного эксперимента. В качестве управляющего воздействия (проектного параметра или независимой переменной) принимается линейная токовая нагрузка якоря А, которая для машин переменного и постоянного тока играет роль обобщенного параметра нагрузки. Результатом выполненных теоретических исследований является метод прямого расчета режимов работы объектов, не содержащий традиционный промежуточный расчет режима холостого хода.

В четвертой главе представлены теоретические исследования по применению обобщенной модели объектов для параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин. Эффективность применения разработанной поэтапной процедуры поиска оптимальных функциональных свойств объектов показывает хорошая корреляция теоретических расчетов и результатов стендовых испытаний объектов.

В пятой главе приведены материалы по практическому использованию автоматизированных процедур параметрического синтеза активной зоны электрических машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на новой методологической основе решен комплекс задач автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин в интересах оперативного управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен, теоретически обоснован, экспериментально проверен обобщенный метод математического моделирования электрических машин.

2. Разработана, исследована и обоснована математическая модель, состоящая из подмодели геометрических размеров активной зоны произвольной конфигурации и подмодели электромагнитного и теплового состояния объектов с линейной токовой нагрузкой якоря в качестве независимой переменной.

3.Разработана и реализована методология поэтапного параметрического синтеза функциональных характеристик объектов, обеспечивающая оперативный учет фактических физических свойств материалов и параметров технологических процессов.

4.Программный • комплекс, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

5.Использование программного комплекса в автономном режиме в процессе промышленного и учебного проектирования при проведении комплексных исследований научных й технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента. Такие исследования охватывают следующие проблемы:

- адекватность применяемых методик расчёта электромагнитного и теплового состояния объектов энергетическому балансу мощностей во всей области возможных режимов работы;

- технико-экономическая целесообразность применяемых активных материалов (электротехнических сталей, изоляций, проводниковых материалов), конструктивных исполнений, конструкционно-технологических ограничений; достоверность установления глобального экстремума при наличии локальных в процессе синтеза оптимальных геометрических размеров активной зоны объекта, а также при моделировании режимов его работы. В целом выполненная диссертация является законченной научной работой, в которой решена крупная научно-техническая проблема системных исследований автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин, имеющая важное практическое применение для автоматизации управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов.

1. Сорокер Т.Г., Каган Б.М. О применении электронных вычислительных машин для расчетов серий электрических машин. -Вестник электропромышленности, 1958, № 9. С. 17-25.

2. Автоматизация расчетов двигателей на электронных цифровых вычислительных машинах / Каган Б.М., Сорокер Т.Г., Мордвинов Ю.В., Пламодьяло Е.В., В кн.: Электропривод и автоматизация промышленных установок. М., 1960. - С.66-81.

3. Расчет серии асинхронных двигателей на автоматической цифровой вычислительной машине / Артамонова JT.M., Мордвинов Ю.В., Пламодьяло Е.В., Сорокер Т.Г. М., 1962. - 77 с.

4. Сорокер Т.Г. Применение автоматических цифровых вычислительных машин при проектировании серий асинхронных двигателей . -Труды ВНИИ электромеханики. Вып. 3. 1966. С.5-18.

5. Сорокер Т.Г. , Воскресенский А.П., Мордвинов Ю.В. Об оптимальных размерах асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт. Электротехника, 1967, №7. - С. 7-11.

6. Сорокер Т.Г., Воскресенский А.П. Расчет оптимальных асинхронных двигателей на АЦВМ. В кн.: Применение электронно-вычислительной техники для инженерных расчетов в электротехнической промышленности. М., 1968. С.3-11.

7. Сорокер Т.Г. , Воскресенский А.П.Б., Мордвинов Ю.В. Применение ЦВМ для расчета и 'исследований асинхронных двигателей. В кн.: Третья научно-техническая конференция. М., 1971. С. 131-144.

8. Оптимальное проектирование серий асинхронных двигателей на ЦВМ / Сорокер Т.Г. , Воскресенский А.П. , Даниленко С.Е., Мордвинов Ю.В. Труды ВНИИ электромеханики. 1976, т.47. С.5-12.

9. Аветисян Дж.А., Бертинов А. И. Многоэтапные процессы выбора оптимальных размеров электрических машин Электричество, 1966, №6. -С.38-43.

10. Аветисян Дж.А., Бертинов А. И. Динамическое программирование расчета оптимальных электрических машин. Электричество, 1966, №6. -С.43-47.

11. Аветисян Дж.А., Бертинов А. И., Соколов В.С. Моделирование и оптимизация проектных расчетов электрических машин с помощью аналоговых машин. Электричество, 1969, №6. -С. 1-5.

12. Бертинов А. И., Синева Н.В., Никитин Ю.М. Проектирование электрических машин с применением ЭВМ. М., 1977. -66с.

13. Богуславский И.З., Домбровский В.В., Сивков А.П. Применение ЭЦВМ для расчетов электрических машин. В кн.: Тезисы докл. межвуз. науч.-техн. конф Новочеркасск, 1963.-С.5-7.

14. Домбровский В.В., Сивков А.П. Проектирование гидрогенераторов с помощью ЭВМ. В кн.: Электросила. Вып.25. Л., 1965. -С.52-55.

15. Использование вычислительной техники при проектировании электрических машин / Домбровский В.В., Дубинник В.Г., Тихаревич М.С., Мозю В.А., Рубисов Г.В., Сивков А.П. , Фридман В.М. в кн.: Электросила. Вып.25. Л., 1965.-С.39-43.

16. Домбровский В.В., Панский Г.Б. Распределение потерь в гидрогенераторах. Некоторые вопросы оптимального проектирования гидрогенераторов. В кн.: Исследование электромагнитных полей, параметров и потерь в мощных электрических машинах. Л., 1966. -С.26 -31.

17. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. Л., 1974. -504 с.

18. Ванеев Б.Н., Горягин В.Ф. Проблема критерия оптимальности электрических машин. Труды ВНИ проектно-конструктор. итехнологич. ин-та взрывозащищенного и рудничногоэлектрооборудования, 1979, №16. С. 13 19.

19. Оптимальное проектирование асинхронных взрывозащищенных двигателей / Горягин В.Ф., Загрядский В.И., Сычева Т.А., Фиготина М.И., Яковенко В.А. Кишинев, 1980. 200 с.

20. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М., 1980. -359 с.

21. Аветисян Дж.А., Страхова Г.И., Хан В.Х. Решение задач оптимального проектирования электрических машин с помощью разбиения на подзадачи. Электричество, 1975, №4. -С. 53 - 56.

22. Аветисян Дж.А., Соколов B.C., Хан В.Х. Оптимальное проектирование электрических машин на ЭВМ. М., 1976. 208 с.

23. Артанов С.Г. Определение оптимальных размеров электрических машин. Электричество, 1966, №3.-С. 63-68.

24. Балашов Ф.К., Якубзон В.А. Методы оптимизации с помощью ЦВМ асинхронных короткозамкнутых двигателей повышенной частоты. В кн.: Применение математических методов и вычислительных машин в энергетике. Вып.З. Кишинев, 1968. -С. 107-112.

25. Билинкис П.Г., Непомнящий М.А. Организация вычислений некоторых параметров электрических машин на ЭВМ. В кн.: Электроэнергетика и автоматика. Вып.22. Кишинев, 1975. -С. 34-37.

26. Билинкис П.Г. Программа поверочного расчета асинхронных короткозамкнутых двигателей. В кн.: Оптимизация и расчеты электрических машин: Кишинев. 1977. -С.37-38.

27. Билинкис П.Г. Об одной модификации метода поиска оптимума функции по деформируемому многограннику для решения задачи о нахождении машины-аналога. В кн.: Автоматизация проектирования и исследование электрических машин. Кишинев, 1981. -С. 6-7.

28. Воскресенский А.П., Мордвинов Ю.В., Сорокер Т.Г. Об оптимальном проектировании серий асинхронных двигателей 4А. -Электротехника, 1976, № 10. -С. 10-13.

29. Воскресенский А.П., Мазия Л.В., Сорокер Т.Г. Основные принципы системы автоматизированного проектирования асинхронных двигателей. Электротехника, 1978, №9. -С. 14-17.

30. Геминтерн В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования электротехнических изделий. М., 1975. -55 с.

31. Геминтерн В.И., Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М, 1980.-160 с.

32. Зайчик В.М. Применение метода математического программирования при проектировании электрических машин. Электричество, 1968, № 6. -С.39 42.

33. Зайчик В.М. Использование выпуклого программирования для вузов. Электромеханика, 1970, № 6. -С.41-45.

34. Зайчик В.М. Применение линейного программирования к проектированию асинхронных электродвигателей. Изв. вузов. Электромеханика, 1976, № 10.-С. 1068-1076.

35. Зайчик В.М. Использование линейного программирования для оптимизации расчета синхронных машин малой и средней мощности. -Электричество, 1977, № 12, с.78-80.

36. Зайчик В.М. Инженерный способ построения зон допустимых значений параметров при проектировании асинхронных электродвигателей Изв. вузов. Электромеханика. 1978. № 4. с. 381385.

37. Зайчик В.М. Оптимизация машин постоянного тока с помощью метода линейного программирования. Электричество, 1979. № 4. -С. 49-53.

38. Зайчик В.М. Оптимизация синхронных машин с помощью параметрического программирования. Изв. вузов. Электромеханика, 1982, № 7.-С. 767-774.

39. Каган Б.М. , Тер-Микаэлян Т.М. Решение инженерных задач на цифровых вычислительных машинах. М., 1964. -592 с.

40. Копылов И.П., Ильинский Н.Ф., Кузнецов H.J1. О применении методов планирования эксперимента к задачам анализа и синтеза электрических машин. Электричество, 1970, № 2. -С. 29-35.

41. Копылов И.П. Создание автоматизированной системы проектирования электрических машин. Электротехника, 1975, № 11. — С. 2-5.

42. Копылов И.П., Ковалев Ю.З. Расчет переходных процессов электрических машин при автоматизированном проектировании.- Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1980, № 3. -С. 133-139.

43. Непомнящий М.А., Билинкис П.Г. Некоторые вопросы проектирования с помощью ЦВМ асинхронных короткозамкнутых двигателей. В кн.: Применение математических методов и вычислительных машин в энергетике. Вып. 3. Кишинев, 1968. -С. 103107.

44. Непомнящий М.А., Билинкис П.Г. Методика расчета машины -аналога. В кн.: Автоматизация проектирования и исследование электрических машин. Кишинев, 1981. -С. 3-6.

45. Постников И.М. Выбор оптимальных геометрических размеров в электрических машинах. М., 1959. -115 с.

46. Терзян A.A., Мамиконян А.О. О методах поиска оптимальных размеров электрических машин с помощью ЭВМ. Электротехника, 1969, №8.-С. 5-8.

47. Терзян A.A., Мамиконян А.О. Поиск оптимальных размеров электрических машин вдоль поверхностей ограничений. Электротехника, 1973, № 12, с. 10-14.

48. Терзян A.A. Автоматизированное проектирование электрических машин. М., 1983, -256 с.

49. Уайлд Д. Оптимальное проектирование / Пер. с англ. под ред. В.Г. Арчегова. М., 1981. -272 с.

50. Шуйский В.П. Расчет электрических машин / Пер. с нем. JI., 1968. -732 с.

51. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ / Пер. с англ. под ред. В.Б. Миносцева. М., 1982. -238 с.

52. Сергеев С.П., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. М., 1969. -632 с.

53. Рабинович И.Н., Шубов И.Г. Проектирование электрических машин постоянного тока. JL, 1967. -504 с.

54. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин .М., 1978.-480 с.

55. Зенер К. Геометрическое программирование и техническое проектирование. М., 1973. -111 с.

56. Emde F. Einseitige Stromverdrangung in Ankernuten. Elektrotekchnik und Maschinenbau. 1908, Bd 24. S. 703.

57. Richter R. Uber zusatzliche Kupferverluste. Arch. Elektrotechn., 1914, Bd 2, S. 743.

58. Richter R. Hauptabmessungen elektrsch Mashinen und ihre Materialausnutz ung. Elektrotechn., Zeitschrift - A, 1952, Bd 73, S. 705.

59. Frohne H. Rationalisierung beim Entwurf elektrscher Maschinen unter Verwendung digitaler Rechenautomaten. Elektrotechn., Zeitschrift - A, 1963, Bd 84, H.2., S. 49.

60. Рябуха В.И. Процессы в асинхронном двигателе при частотном регулировании скорости вращения по заданному закону //Известия АН СССР /Энергетика и транспорт. 1966. - №2.- С. 82-96.

61. Рябуха В.И. Процессы в асинхронном двигателе при изменении электромагнитного момента пропорционально скольжению //Известия АН СССР /Энергетика и транспорт. 1966. - №5.- С. 71-83.

62. Кононов В.П., Рябуха В.И. Проектирование самолетных генераторов постоянного тока: электромагнитный расчет. Учебное пособие. Л.: ЛИАП, - 1972.- 100 с.

63. Рябуха В.И. Асинхронный частотно-регулируемый привод. А.С.№375744.- 1973.

64. Кононов В.П., Рябуха В.И. Проектирование самолетных генераторов постоянного тока: механический, вентиляционный и тепловой расчеты. Учебное пособие.-Л.: ЛИАП, 1976.- 72 с.

65. Рябуха В.И. Регулирование скорости вращения, асинхронных электродвигателей с минимальными потерями в цепи ротора //Электромеханические устройства автоматики: Межвуз.сб. Л.: ЛИАП, - 1976. - Вып. 100. - С. 159- 169.

66. Рябуха В.И. Устройство для измерения магнитного потока в асинхронных машинах. А.С.№515078. 1976.

67. Рябуха В.И., Аполонов Ю.С. Синтез параметров схемы замещения частотно-регулируемых асинхронных двигателей // Электромеханические устройства автоматики: Межвуз.сб. — Л.: ЛИАП, -1976. Вып.100. - С. 170 - 177.

68. Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических машин при заданном листе сердечника статора // В сб. «Электромеханические преобразователи и устройства». — Информэлектро, 1981. - С. 9 - 12.

69. Иванов Г.И., Рябуха В.И. Определение параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя по номинальным данным и данным холостого хода // В сб. « Проблемы автоматизации промышленности и АСУ». Информэлектро, - 1982. - С. 64 - 78.

70. Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических машин. JI.: Изд-во ЛГУ, 1984.- 130с.

71. Печерица С.П., Рябуха В.И., Электрические машины. Асинхронные машины. Методические указания по курсовому проектированию. JI.: СЗПИ,- 1985.-56 с.

72. Рябуха В.И., Брандина Е.П. Проектирование электрических машин. Расчет рабочих характеристик асинхронных двигателй на ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию. J1. СЗПИ, -1986.- 17 с,

73. Каган A.B., Рябуха В.И. Некоторые особенности проектирования тихоходных синхронных двигателей с ограниченными радиальными размерами //Известия вузов. Электромеханика. 1988. - №6,- С. 48 - 52.

74. Каган A.B., Рябуха В.И. О технической целесообразности применения различных видов тихоходных двигателей переменного тока в высоко-моментном электроприводе //Известия вузов. Электромеханика. 1989. - №12.- С. 96 - 100.

75. Рябуха В.И., Брандина Е.П., Белова О.М. Электрические машины. Проектирование электрических машин: Методические указания по курсовому проектированию (расчет синхронных машин на ЭВМ). JL: СЗПИ, - 1989.-30 с.

76. Белова О.М., Иванов Г. И., Крестенина Т.Ф., Рябуха В.И. Инженерное проектирование и САПР электрических машин: Методические указания к применению программного комплекса поэтапной оптимизации электрических машин. — JI.: СЗПИ, 1990.- 49 с.

77. Рябуха В.И Моделирование эксплуатационных режимов работы машин переменного тока: Теоретические основы. Лекции. Л.: СЗПИ,1990.- 63 с.

78. Рябуха В.И., Белова О.м., Иванов Г.И. Инженерное проектирование и САПР электрических машин: Методические указания к расчету асинхронных двигателей на ЭВМ. Л.: СЗПИ, - 1990.- 27 с.

79. Рябуха В.И. Моделирование эксплуатационных режимов работы машин переменного тока: Избранные разделы. Лекции. Л.: СЗПИ,1991.-55 с.

80. Каган A.B., Рябуха В.И. Способы редуцирования частоты вращения двигателей переменного тока //ЭлектроМагнитоЭффект. — 1992. №3, США.

81. Иванов В.Г., Каган A.B., Рябуха В.И. Терентьев Е.П. Электромагнитная муфта. A.C. №1775809. 1992.

82. Каган A.B., Рябуха В.И. Электромашинный агрегат. A.C. №1812597. 1993.

83. Рябуха В.И. Электрические машины: Общие вопросы теории машин переменного тока. Сборник задач с ответами. С-Пб.: СЗПИ, - 1994.- 59 с.

84. Рябуха В.И., Томов A.A. Обобщенный метод расчета удельного коэффициента магнитной проводимости рассеяния пазов произвольнойконфигурации //Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз.сб. Вып.16. С-Пб.: СЗПИ. - 1999,-С.92 - 101.

85. Воробьев В.Е., Рябуха В.И., Томов А.А. Расчет трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Учебн.пособие. -С-Пб.: СЗПИ,-2000.- 151 с.

86. Рябуха В.И. Обобщенная геометрическая модель пазово-зубцовых слоев электрических машин //Электротехника, электроэнергетика и электроника. Юбилейная научно-техническая конференция. Сб.докладов. С-Пб.: СЗПИ. - 2000.- С.47 - 52.

87. Рябуха В.И. Особенности моделирования установившихся режимов работы вращающихся электрических машин методом расчетного эксперимента //Научная конференция к 300-летию Санкт-Петербурга. Сб.докладов. 4.1. С-Пб.: СЗТУ. - 2003,- С.207 -211.

88. Рябуха В.И. Параметрический синтез активной зоны электрических машин.- СПб.: СЗТУ, 2004. 199 с.

89. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ.-М.:-Мир,1983.-368 е.,ил.