автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Беспазовые электрические машины с многополюсными и униполярными индукторами на высококоэрцитивных магнитах

РГБ ОД !К

ШЯЗОКИИ &НШ"ЕГйЧБСгШК ЙНОЖУТ

Ка правах рукописи

ГОНЕОВ Владагяф Николаевич

БЕСПАЗОБЫВ ЭЛЕ1гТР11ЧЕСКЖ КДШЙКЫ С МНОГОПОЛЬНЫМИ И УШЯШМШКИ 1'йДУКТОРАМЯ НА ЬЫСОКОКОЭРШИШНЫХ и&гтш

(Теория, математическое моделирование, соЕершенстЕозэюге конструкций)

Специальность 05.u9.0I. - Электрические мазла«

АВТОРЕ Ф Е'Р А ?"

диссертации на согсхште ученой степени доктора технических

наук

МОСКВА - 1994

Раоотз выполнена б Омском Государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.В.Иванов-Смоленский;

доктор технических наук, профессор Б.Л.Аливвский;'-

доктор технических наук, профессор Ь.А.Прозоров.

Ведущее предприятие:

Всосо&снцй научно-исследовательский институт ; э."5ктромйы:'л:острое;гая (ВНШШектроазш) .

Запита диссертации состоится "U- С ter л сЛ А 199 £ г. ь ауд ,f{&4 ь ^5 час ,00 мин. на заседании специализиро-..

ванного Совета Д 053.16.05 при Московском ордена Ленина и'ордена Окт ¿ОрьсксЛ Революции энергетическом институте.

Ьтгньв в двух экземплярах, заверенные печатью,- просим направлять по .адресу: 105335 ГСП, Москва, Е-250, ' Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭМ.

С диссертацией: кс;жо. ознакомиться в библиотеке' МЭИ.

Аьтерефграт разослан " '__ 19Э__г. '• .

Учеай секретарь спецааяагкроь&аного Совета

Д 0b3.I6.Cb

канд.техн.наук ,• доцент . Л - Соколова

ЛР a, G2032I. Редактор Г/ М. Кляут. Подписано к печати 06.05.94. Форг-ат 60 х 84 I/I6. Буиага„писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-езд. л. 2,4. Тираж 100 экз. Заказ к9

.Редакционно-издательсккй-отдел Oî/ГТУ. 644050, Омск, яр. Мира, II Тепогра-ия 0кГ1У '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Электрические мапягаы (ЭМ) с постоянными магнитами (ПМ) находят широкое применение в различных отраслях промышленности. При диапазоне мощностей от долей ватта до десятков мегаватт ЭМ с Ш отличают надехщость, высокие масссгабаритные и энергетические показатели. В значительной степени это обусловлено улучшением характеристик ЗМ с ПМ, достигнутым благодаря исследованиям устройств электромеханики (УЭ) с магнитотвердыми материалами (МТМ) в МЭМ, ВНИГОлектромза, ШО "ПОЛЮС",'НПО "МАГНЕТОН", НПО. "Псковэлектромат", ВНЖЭлектро-механики, В1ШМЭМ и в ряде других организаций, выполненных ранее и ведущихся в настоящее время под руководством В.А.Балагурова, Ю.А.Бахвалова, Л.И.Бертинова, Д.А.Бута, О.Ф.Галтееза, А.И.Гридне ва, Б.А.Делекторского, В.Н.Захирко, A.B., Иванова-Смоленского, •А.И.Инкина, В.М.Казанского, А.С.Картера, 0.3.Ковалева, И.П.Копы-лова, В.П.Колесникова, Е.В.Кононенко, В.А.Кузнецова, П.А.Курбатова, A.M.Ларионова* В.К.Лозенко, И. Г.Овчинникова, И.Н.Орлова, И.Л.Осина, Л. М. Палестина-, В.А.Прозорова, Н.Н.Разумовского, В.В.Сергеева, Г.А.Сипайлоза, А.И.СкороспеЕкина, А.М.Сенхевича, Т.Г.Сорокера, И.П.Стадника. В'.Н.Тарэсова, П.А.Тыричева, H.H.Шереметьевского, В.Н.Шоффа, Ю.Я.Щелыкалова, Ф.М.Ефорова и др. С другой стороны, все возрастающее применение. ПМ. в системах возбуждения ЭМ в значительной степей! объясняется достижениями в области созда1шя новых магнитотвердых материалов к особенно освоением в последние . 10-15 лет промышленного производства высококоэрцитивных редкоземельных'ПМ (PSM), обладающих наивысшими значениями удельной магнитной энергии и коэрцитивной силы. По этой причине многие УЭ можно на только значительно уменьшить в размерах,, но и находить новые, конструктивные решения магнитоэлектрических машин,способных конкурировать по массогабаритнкм и энергетическим .'показателям с машинами с электромагнитным возбуждением Е широком диапазоне мощностей и частот вращения. Однако простая замена ¿'-традиционных конструкциях УЭ ранее известных ПМ на PSM заметного эффекта зачастую не дает. Для успешной реализации огромных потенциальных.возмохйостей.Р2М необходимо, как правило, .изменение достаточно хорошо изученных конструктивных исполнений 'УЭ. Наиболее аффективно характерная особенность высококоэрцитивных Ш, возможность'■ эксплуатации при больших' немагнитных

зазорах и сильных размагничивающих полях, реализуется в УЭ с гладкой активной зоной якоря. Как показывают исследования В.Л.Вала-гурова, Д.Л.Бута, В.Ф.Токарева, Ф.М.Кферозз, А.Ю.Афанасьева, Я.М.Беленького, • И.М.Беседана, ' Ю.К.Васильева, Н.И.Куликова. А.Н.Ледозского, . А.Г.К'якерова, Ю. К.Розно и др., преимуществами данного нового класса ЗМ является: уменьшение пульсаций электромагнитного момента двигателей и напряжения генераторов, повышенно даейкости механических и жесткости'внезнюс характеристик, увеличение линейных нагрузок в обмотке якоря к быстродействия, обеспечение облегченных условий коммутации и мероприятий по использовании безотходных технологий производства. Тем не менее реализация указанных достоинств . на практике ограничивается особенностями расчетко-гооретзчоского характера, определяемыми• фактом применения новых висококоэрцитивных ' .ПЫ со •специфическими • свойствами (д al; Нсв?5С0-КС0 кА/м; высокая степень анизотропии по ■ намагниченности) к большими, немагнитными зазорами. Следствием указанных особенностей яелястся, "как правило, ярко выраженный трехмерный характер мапштного поля, топография которого отличается oí хорошо изученных в 5М традиционного конструктивного исполнения.

Отсутствие достаточного опыта проектирования магнитных систек (НС) нового класса ЭМ с современными Ш, обладающими специфическими особенностями, реализация их. уникальных потенциальных воз-мокностей для совершенствования традиционных и создания принципиально новых конструкций ЭМ, дефицитность РЗМ, ужесточение требований к срокам, и качеству проектирования потребовали теоретических исследований и обобщений особенно в области расчета магнитных полей и моделирования процессов, учитывающих специфику новых изделий электромашиностроения с шсококозрцигиЕшми Ш. Несмотря на имеющиеся достижения, в области создания методов исследования отдельных УЭ с .РЗМ. до настоящего времени отсутствовал; теоретическая база, обеспечивающая возможность изучения процессов и характеристик -различных' типов беспазовых ЭМ с высокохоэр-цитиеными ПМ,- при учете трехмерности поля, на единой методологической основе, удовлетЕорящей ".требованиям Солее высокой адекватности моделирования при приемлемых вычислительных затратах.

ЦЕЛЬ РАБОТУ - теоретическое обобщение и развитие методов расчета магнитных полей й процессов в УЭ с ПМ, создажю на этой основа комплекса математических моделей, алгоритмов, программных ерэдет: и внедрение их в практику проектирования быстро развивающихся и

недостаточно изученных беспчзосых ЕМ поступательного и влиятельного движения- с шсококоэрцитиг.ными мапмтклт, «шкзую к'жся народнохозяйственное значение, в связи с тенденцией увеличения объема использования современных ¿--юргогаах »arran-ов, обладаете широкими потенциальными возможностями для тжзкнкл технического уровня существующих и создания пршщагпталгко iioeux. УЭ общепромышленного и специального назначения с одюговолэекчмл и улию-лярними ННДУКТОрИчИ.

Работа выполнялссь в соответствии с Перспективны;.! яланоч "Шетерэлектро"' 1986-1990 вг. (тема 4-31 "йсследокагш» проблем создания магнитных систем новых алз&трпиашх шшшн и нриуенеык» в них внсокознерготичёских штаитотвердкх материалов с цель» совершенствования параметров и.конструкций"); Координационным планом ККТП "САПР", утверждений -приказом йптвуг.а РСчС? XI HZ от '25.03.88 (тема 2.8.67 "Теоретические оскоек математического п физического моделирования слстзях электрошхсничесмтх устройств); Коорданаидоншш планом АН СССР на 1Мв-19Э0.г;г. (лроблекз 1.3.2, тема 1.9.2.6.2-"Развитие методов физического, математического и численного моделирования процессов в элвадфофгоячоявпс и электроэнергетических установках");.. Постановлением Г'КЬТ СССР j; ьк> от 30.09.85; Постановлением ПЩГ И. АН'СССР ¿ 573/137 от 10.11.85, ■'программа 0.80.03.

МЕТОДЫ И С ЛЕДОВА Н К Я. При шпоаъ-иши ¡¿¡боты использовались: -теория электромагнитного паль-, нежеюйкив дифйс-ренциальнаэ уравнения в чаптных производных эллиптического '• типа, аппарат iSKTopF.oPo и тензорного анализа,' элементы теории вариационного, матричного и интегрального исчисления, к«".<?матхчес:сов йоделированке на ЭВМ, физическое моделирование и звенеркмеи-, тальные исследования на действующих моделях УЗ с вксококозроитаз-нши ГО.!. Главной теоретической основой исследований, представленных в работе,, является совремакный' численшЯ метод решения уравнений. математической физики - млтод' kowübc ? ««мгнтоз. (8Ш), получивший в мировой праклгке кирокое распространение благодаря универ" --льности и удобству реализации эффективных САПР различных устройств. Совокупность ' теоретических положен:«, кйтематичегпгс выраиеш'Я, оценок, алгоритмов' и• пакетов программ, рпзраекгодшнх применительно $с:нКЭ для достафпйг. поставлекнсЛ цел".:, 'определс-тл как конечяоэлементныв модели (КЭ.М).

Н А У Ч Н А Я НОВ Й'З'Н А. В .-результате создания еекясупнос-

' о ■

ти КЭМ впервые теоретически обоснована и разработана стратегия расчета и анализа иирокого класса магнитных систем магнитоэлектрических устройств электромеханики нового поколения в рамках . единого методологического подхода, удовлетворящего необходимой на данном этапе- достоверности моделирования и обеспечивающего разработку САПР при большем разнообразии вариантов конструктивного исполнения. Основные теоретические и методические результата заключаются в следующем. I. Получены выражения функционалов в терминах скалярного и векторного магнитных потенциалов, а также элементные матричные соотношения, I соответствующие уравнениям в частных производных, опаенваодкх. в декартовой и цилиндрической

КООрДИНГ;Т ПТЗОСТр2НСТ£211НОС 9 ПЛССКОП^рСЛЛСЛЬПОО II ССОСШп -

матричное распределение магщтного поля в магнитных системах ЭМ с Ш с заданными граничными условиями. 2. Применительно к развитому конечноэлемонтному подходу созданы математические модели индук--торов ЭМ с учетом анизотропии,, формы границ, направления намагниченности составных магнитов и магнитов-модулей,'.' 3. Предложены методики расчета трехмерных магнипшх полей ЭМ с ПМ, обладающие достаточной достоверностью при приемлемых.вычислительных затратах и дающие возможность реализации их на ЭВМ среднего клвсса, а также персональных. ЭВМ. 4. Разработаны математические модели беспазовых. УЭ с высококоэрцитивными: ПМ, обеспечивающие на-основе учета пространственного . распределения по ля ■ ■в • активных объемах проведение. анализа процессов к виходных характеристик в зависимости от геометрических и физических особенностей элементов конструкций. 5. Проведен анализ и дана количественная.оценка погрешности моделирования трехмерных полей магнитоэлектрических машин на основе признака Лейбница и .теоремы Парсеваля.' б. ;Даны рекомендации по практическому"испадьзовзнию'- созданной, .кетодики- с целью уменьшения времени расчета и сохранения'в заданных пределах достоверности моделирования. 7. Исследованы особенности распределения магнитных полей и характеристик!? новых МС ЭМ с современными магнитами. 8. Предложены алгоритмы, мзтодаки ; и способы ' формирования магнитных полей беспасовых конструкций УЭ с ПМ,- а. Новизна технических . решений , в 1 работе подтверадена .авторскими свидетельствами на изобретения, а их ■еффэктшшость - пажжательккы опытом эксплуатации.

П Р А К Т И Ч Е С К А Я Ц Е Н Н ОСТЬ. Разработан комплекс алгоритмов и программпри приемлемых' вычислительных и временных

6

затратах, реализующий теорию конечноэлементных расчетов беспазовых ЭМ с Ш при учете трехмерности поля. Примените комплекса позволяет повысить достоверность результатов математического моделирования, сократить сроки проектирования, уменьшить материальные затраты при создании новых конструкций. Созданы и реализованы в виде комплекса программ методики анализа и оптимизации исследуемых магнитоэлектрических машин. Дшш рекомендации проектировать и предложены новые конструктивные и схемные решения ЭМ с ПМ, часть из которых запищенЗ авторскими свидетельствами. Разработаны и освоены в производстве отрезки серий ЭМ с ГОЛ. Предложенные КЭМ при принятых допущениях адекватно описывают особенности РЗМ и специфику конструктивного исполнения беспазовых ЭМ с Ш, хором согласуются с результата»,m эксперимента и в течезшэ длительного времени применяются в различных организациях длл проектирования новых ЭМ с ПМ, проверки приближенных расчетных методов,в науч-но-исследовательскоЯ работе и учебном процессе.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по. созданию КЭМ, пакетов программ и применения для проектирования УЗ с ПМ, внедрены и использовались в НПО "Псковэлектромаш" методика автоматизированного проектирования, результаты исследований и расчетов, рекомендации по выбору элементов конструкции МО, направлению и количеству Ш-иодулеЯ индукторов новых серия высокомоментных двигателей средней модности СКИТ 80, СКИТ IOO с гладким -якорем; СКБП ПО "Омский электромеханический завод" методики,; алгоритм, комплекс пакетов ' программ расчета ЭМ с высококоэрцитивным Ш; ' рекомендации по исследованию, улучшению характеристик, созданию лойых конструкций двигателей-маховиков и электромагнитных демпферов; п/я 4613, НПО "Полюс" (г, Томск) бесконтактные магнитоэлектрические -'/тахогенераторы. постоянного тока (по а. с. Н058ГЗ) в качестве технологической оснастки испытаний приводов ПС SM и в следящей ■ з'омхнутой системе для снятия тепловой карты местности; Омском института инженеров келезнодоро:кпого транспорта -методики, алгоритмы, пакеты программ моделирования ЭМ с ЛМ различного-конструктивного исполнения:- на Агрегатном заводе им. Куйбияева (г. Олек) тахогенераторы для автоматизированных систем управления с электронными коммутаторами обмоток (по а, с, 949502): „Государственном.фонде алгоритмов и программ програчна миэ/ расчета интегральных характеристик

cenn:-j::on:j>: Oí¿ с йй; маанностроагольком. КБ. (г. Омск), НПО "Сиб-кркотозникв" матмзтаческлй- аппарат к-рекомендации проектирования диагатолэй пстсвюкшх объектов; HIIO '"Полюс" математические .модели, •-::: слоило—аналитическая методика-' проектирования и оптиг^ззцкп магнитоэлектрических преобразователей угловых коорда-.. наг стадиального нагначэкия; учебном процессе и научной работе". OrDíi.. fio материалам диссертации .для студентов специальностей IO.CI 21.03 иццаны методические указания' "Электромагнитные расчеты • улектрических кашн на. 'ЭВМ", • которые, используются- при йзуч^ш:;! курса "Электрические маайш", а также при выполнении курсов;и диплогедл работ.' Разработанная автором концепция ксжечиоэлздентшх (КЗ) расчетов ЭМ с ПМ была полонена в основу к&чкеддосхкх дкссзртэцяй Д.Г.Ходьхо "разработка алгоритма расчета трехмерного -кагаиткого поля ь электротехнических- устройствах .с 2ксо:дакорри;!ткпшаЕ' магнита!-.'.}!-"' (1989 г.), Л.Е.Серковой "Расчет, шгштшх систем Осспзсових' электрических" машин с высоко-хзгрдегкшнйдо uaruweem".. (1993 г.). В кандидатской диссертации. В.Л.Оздорова "Стабилизированный нигкоскоростной электропривод с" шконт»:13.5 двигателем, фукадяовирущш' в - скользящем ' режиме" (ISiSñ испсльготлись результаты настоящей, работы по "созданию яязкоскоросуиих кагиитоэлектричэских тахогэнераторов: r, : А II Р 0 Б А Ц И Я. Р А-Б 0 ? Ы. 'Основные - материалы' диссертации; докладывались и 'обсуждались - на 2—й .Есееоюз. научно-техн. конф.: "Проблемы «¿лякггйной электротехники ;• (Шацк, 1984,-i;'.), - '. Всесоюз.. нпучпо-твхн. -конф. ".Цйнажческке 'режимы работы электрических машин и электроприводов" (Каунас,'' 1963 г), - научно-техн. семинаре "Состояние вопроса разработки, программных' продуктов по;, расчету мапгатных полей" ка заседании'.'.-'секции 2.'-.."Проблемы.Теории• электромагнитного - тюля и ■ динамики- -в электроэнергетических -й-электрофизических устройствах" отделения физико-техпическц: проблем энергетики'АК СССР (Ленинград, 198? г.), 4- й Всесоюз. межвуз. конф. по электрокагшп'кын методам .контроля качества материалов и изделий (Омск, -ГЗЗЗ Всесога. научпсг-техн. конф. "Современное состояние проблемы и перспектавы энергетики. и:-технологии в. энергостроекга" (Иваново,. 1939.г. ), Всесоюз. научног-техн. |соиф-"Мотодц и средства, диагностирования технических средств' на к.д. -транспорте" (Омск, 1939'-г. ),-: Есе.солз.,.:научно— техн.'• семинаре по злбктро.чехзкотройике-. (Ленинград, 1989. г),- Зональной научно-техн. конф. "Средства первичной- обработки, хшформации" (Курган, 1990 г), .

Республиканской конф. "Устройства и системы автокзтап? автоночгадх объектов" (Красноярск, I99u г.), Республиканской кон;;. "Злеклроме-хэническио' преобразователи к мапииовонтильшв скстсмм" (Томск, 1991. ), IA й и 2- й Всесовз. научЕо-тахн. ко{:<£. яо электроиоха-вотрсгсжэ (Сакт-Логсрбурр, 19Э1 it-), I Меядународаой

наутю -техн. копф. "Датчика электрических и нойлоктрхчосккх золг.чкн" (Барнаул, IS93:-7) научпо-тех;,. конф. Омского кн-та ж:;;, а.-д. транспорта и Ovckoro политехи. тш-са з 1330 - 1931. гг.

Л У Б Л К К А Ц И И. Основные результата дисссртадат кзлокзш в 45 печатных работах, получено 3 авторских свидетельства.

СТРУКТУРА И О В Ъ Е И РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения,' шеста глав, зоклчченяа,' списка литературы из P2I какмен.. и трех пралогепий, ссдергзп 373 страницы основного текста, 175 psov и 24 тгЛг. i¡я 57 страницах.

...... основт СОДЕКЖЙ РАВОГН

В первой глаьэ рассм-лренц своЗстгп к характеристики сояро-«зштых вцеококоэрекптпых Ш, ггх<кво;:ок': к/г.тлтеекзй анализ л о1зор работ, тсшцзш*х ме^одбм pac-roía я осгсчякм УЗ с

Енсокознергатанос-жма Ш.

Ре&пкзоциа рыссяшх хирсетс/гиткс севремекних

рэдкбзеиедшгх непитов (K3.V) слгал-.^сет ко •-. 'да конетрукташше и твггалогичесгая оссссгзосг:

Характернее' оу^йчия асг*»ж*уе:агс рэд&озеглплмс кяк-л значение магнитной • проницаемости, прзтетячеиг,; p?.ivíol- я високое • заёчепкв- коэрцчгшной сош. па начагкичек^остз Нсв- наи0о.п---о э^феккзшгм способом ••о-';-? Опть реализовали' в гйопззовых конструкциях 3TÍ (рксД.Т}. црод"тг>злзнн1:л МО, астяст-

•воапо« по рэскргьгет гсего ;жгс;.-:р-:з:;я Сор* т.-онструктшюго кополнепия УЭ о шсашаярцетлвнак-;. И. Более raipcjwa подбор "вариоктоа страуэн в tssícto диссертации. /н!"- ы&гд-; cwójorsa psm приводят к. качестишнску ■ i^v.enemm конструкций э.-скгрс..'ехрни-яееких кздедяй с п:'. Однсисс- н-;г.аз кагг-гругтавэдэ реасшы сааашы талы® • ¿a осцосз" значнтвлк». ¿пдад- гш. чем цредге, представлениях о распре;/: .»ентш ыагтшюго пол.-: п зависимости-atoro распределения .от геоксгриче^чгя кокфиг;.'рги,!п; грангц раздала и фйыгчгских свойств среди..'Дая.. давлотзерошм постоянно растущих ¡запросов прэктп-от. ооьрпзгапп SiS'c Ш все бо.-.-is услсювпетси а. увоягояштся и? гяогосбрезке. л этос /слозггях, с учетом

УШМШ

8)

Ряс.- I.I. Некоторые разновидности.- • магнитных систем-'бесшзовых устройств .элеЕтромеханшсц. • . .. с постоянными магнитами '

поставленных задач, в работе обоснована целесообразность прилунения МКЭ и. использования концепта: прздстзвления ПМ с поь'ощь.з объемных и поверхностных плотностей фяктиишгх мзгнлгшас зарядов

рм = - div д grad U,,, (1.1)

и токов намагниченности

= «t w 1ы =rot v^ я t i• (1 -3)

где p = - div ¡i и - объемная плотность магнитных зарядов (q„): I! - намагниченность ПМ, ñ - нормаль к поверхности Ш.

' При допущении для РЗМ 'Я я const в работе пэлучеиц Бврагдния р , оИ и í„ для наиболее распространенных форм П.'/. индукторов ЭМ с параллельным (ПНПМ) и радиальным намагничиванием (РИМ).

МКЭ находят в' последнее' время все Солее вирокоз применение для электромагнитных расчетов ЭМ. МКЭ эффективен для решния задач расчета неоднородных полей в неоднородных нэл-азйшх средах со сяогшгми граница?®. Магнитные системы современных УЭ с Ш именно таковы, что и определило выбор МКЭ. Несмотря на большое количество работ, посвященных хрмененпю ?ЖЭ для электромагнитных расчетов ЕМ, вопрос .развития МКЭ применительно к расчету ЭМ с высококоэрцитивнши Ш требует значительного внимания, из-за новизна объекта исследования. Как источник1 поля,Ш. в общем случае представляют-нелинейную, анизотропную .среду, обладающую гистере-зиспыми свойствами. Кроме того, в. ртличле от' электромагнитов, п.! при большом 'разнообразии формы границ могут иметь различный' характер намагниченности (параллольная, радиальная и др.), опре-дэляит - появление специфических граничных условий з объеме 2М, в ряде случаев возникает необходимость выполнения полюсов зм в виде нескольких • ШЬмодулей. Указшшые обстоятельства определяют спе-цеи1ичвость уравнений ЗМ с ПМ» функционалов при использовании жэ и но позволяют непосредственно переносить имеющийся опыт и методы шделировашш ЭМ С: электромагнитами, у которых такие особенности отсутствуют, на ЕМ с ПМ... Особенно актуальны задачи обеспечения единого подхода к.расчету многообразия- боспазовых ЭМ с ПМ, создания' оффястивных,' эходаягашх'методик-МКЭ для исследования полей и процессов при учете трехмерности," анизотропии, 'формы границ и направления 'намапиченности срстоззшх ИМ и Ш-модулой индуктороз ЭМ, реализации предложенных алгоритмов, а такие нахождения функ-

ца-зи&яов, удовл'зтворяувдих даф|еренциалышм .уравнэниям' и соответствуй»«,* граничным условием в расчетной, области ЭМ. В работе показано, что одним из удобных путей нахождения функционалов для ука~. занной цели является использование аналогии между соотношениями . мах-чаю- и электростатики. Аналогия распространяется на энергетические соотношения, а следовательно, и на функционалы при вариа-. цхоийой фэрмулирозке МКЭ. Представленное ранее -для Ш уравнение ;1.1) пне логично уравнению Пуассона для электростатического поля:

И-Цс&гай и)= -р, (1.4)

где е - диэлектрическая проницаемость среды, являющаяся б общем случае функций координат и напряженности; р-объемная плотность электрических зарядов; и-потенцаа'л.'

Исходя' из функционала, полученного для (1.4) ^1ге*гек1 ¿.М. и Сат.Ь1Гйз1о С., в реферируемой работе построен функционал

P(UM).

[ + РНЧ

dV +

ггои майЕмиаации которого определяется функция и„ являющаяся,

м

согласно ЕЗСИЗЦИ01Ш0Й формулировке, решением (1.1) с.наодяородзш- ' ми граничными условия;,м первого и второго рода. Осованкость' современных БЬ'сскокозрцитивкых ИМ. состоит в том, что с достаточной . точностью, момю -считать их намагниченность одшродао ".распроделек--ной по объему ЯМ (К «=сопзг). Для таких ДМ (1.5) приобретает вид . .

?оу =

2

[ jjiidH ]dV т -М.

ubius ; (1.65

о

о

и при Мо■ ¡--const, ■ ji =const подобен функционалу, который выведен-Campbell P., Chary К., -b'Angelo J. кепосродства^шо с помощью вариационного- исчисления. Однако, (1.6) получен в работе, как частный случай более общего.соотношения (1.Б), приментюго н для ' нелинейной' неоднородной среда. Функционалы. (1.6)* я' <1.5) позволяют . проведать расчет трехмерных полей г 8Ы' с .ЯЛ и, - тек секли.. повысить возмоаности'4щэ по.- сравнению с .вариантом для векторного потенциала, который в настоящее время реализуется в основном для двууернк задач..'Для '-практических расчетов бвепазовнх катнито-'-электричес?ссс -УЭ в.работе предложен такко ряд других' удобках да анализа функционалов, зашешых в тэрмяпах, вэхтораого '1и ■' ss скалярного ;УМ магнитныхпотенциалов.;;','

Вторая глава посвадана формированию коно^юзлекба.тнцх.шдолаг

беспазовых ЭМ с ИМ в тара-шах л„. £тз зздвч." г» с г^цок олучь» сводат'ся к определенна поля з «ссдп'ородаг с*?; с е.: г. и с .-•.■:■::•. объемных то;сов проводимости, псзерхноссгкт к сб^.е^;;-ьх аа-л токов намагннчнзнности. Поверхностяие з^-ггогш;? тек/, 'кемаг-.шч-ч:-ности рассматриваются т;зк заданные красив уровни кг-.ого на поверхностях с отлитнун от пул- зоввриюсткчк ток.м к^л;?-чоенооти. При допущения отсутствия плхроьих соков :: ;:готро;;костл среды в работе получек: уравнения в декартово;'! 1.х;п:к;;.р::чесхоп слсто -■ мах координат для наиболее ооч;его случая об'-дшогс рвеяре.-двлвшя поля. В цилиадрическсй системе ксадотж? • ч^йчо долее

удобной при анализе полай рассматриваемых устройств;

1 а

г

-- - -.к]

в9 г I я^'. &

Э

— V

дЪ

П за ал1 __а _ __.fi!

5<?

1 а

---уг

Г зг

¿>а, ЗГ

за; ад .

д V вг V

1 а

а

---V

дЪ

----51 = +

¿)Г 1 г

'Кг'

-

аг 1

ел

__г

ЙО

1, + 6,

(■

К2* (2.1)

Г1 дА ал 1 Г I- - - - - J + С?,.

г 5ф {Г Щ. дЪ ]

где составляй©». плотности токог. срогодакгита в с^ог-

ках;. 5мг <?„,.- кехцдпьнгх .вектора сбдоэюя плотнеем ток« намагниченности, пряче

Г

= V -

Мф г Зг

п 6МА Мг г1г • дч> дЪ .

.; с

и а

V---

г!г ег

' "К '

К« - -

I 00) г

-...¿г

; <>=1 /ц; ■■>,. .

(2.2)

При ксполыювянитг мкз гедезке. дгфэдипдеелывге ттэтязшй; в ■ частных производшх заменяется хяпском экстремума врргоздиошюге

функционала. Учитывая,..что г\-£Н и 5 - - >о;а к ¡'•-.г.одя из шракения .., '.• ' анергии стлцронаркого. »'"'.и'^'ого- поля текз с

плотностью <5 - 7 + и в объеме V

= ¡У 6 Ас17 = 1 го1:> Г01Д ЛУ, (2.2)

' V .-■:■■ V .

.на основ* теорем.-; Острогрядского-Гаусса к. работ«; зфэрмире« ад функционал вида

р(а>

р(го1А)2 й\' - ф (Л ■ v гои)п ¿Б - А ё ¿V, (2.4)

Частный вид (2.4) зависит от размерности задачи и от принятой систем;; координат. В диссертационной роботе приведены выражения Функционалов дли различных конструктивных моделей рассматриваемых ЭМ с ИМ. Так,- системе уравнений (2.1) для трехмерного поля соотвртстьуют функционалы:

а) дня областей, занятых проводниками с током:

2ч

■ЧА)

г,

v

Г Оу

2 [[Лг3г +

.) I

2'

дЪ }

А л

ал эа 1" г, о , . , ад '

-_С . -5 + |1 — ГгА V 1 —С .а г [г аг1- т г ,

йУ-

а i 1с\'; г ^

(2.4 а)

»нице

б) для областей, занятых постоянными магнитами, и на их гра-, в отличие от:(2.4,а), второй интеграл заменяется-выракением•

Г;

гам,

Ус Э2

аг .

+а

1

г Эг1-

0ф.

]. 1 ^ап

(IV-

ч'

ГГм„.е -м е 1а ( Гк е -мп е Ъ +Гм, е„-М„„е ]л ТйБ, (2,4 б) '

£ 1-1.1 оу а Ог <|У г I Ог г.- Ох т.) ф. I Ог ® Оф г) г} которое, с учетом (2.4 а) преобразуется, как показано в работе, в более простые соотношения для конкретных типов беспазовых ЭМ иостусйтельного; и вращательного движения-. При минимизации функционалов расчетная область разбивалась на -КЗ; которые"выбирались. для линейной апроксимашк , в виде тетраэдров или треугольников ь зависимости от размерности решаемой - задачи. На основе поэлементного объединения в работе дан вывод и' приведены конечные вира»? ни я систем алгебраиче ских уравнений МКЭ; для' указанных выше случаен, рассмотрены схемы ид реаеяия,. обеспечивающие расчет поля и интегральных характеристик ЗЬ?. Полученные'еоотновения_йрименимы как при неоднородности среды Ш индукторов ЭМ, так я при.постоянстве намагниченности Ш, последнее точно соблидгзтся только в Ш . эллипсоидальной формы.'Язя. -Ш других форм это'-- допущение' выполняется тем точнее, чем висе коэффициент, магнитной.-.'твердости ,по:;'-индукшш 03=д0Нсв/Вг. предельное зкаченхе: Для;. так называв- :".--мых. "закритических МТМ1*, к которым следует: отнести .-и' РЗМ 0^0,8-0,9

правомерно допустить 5^=0,-и для расчета,; в частности, плсс-копараллельного шля в.ЭМ. использовать элементное соотношение

ММ - ^г- ['"]'

V*

з!п(М„, п

) [п]г

(2.5)

3 1- -1 2

гдэ - матрица, харьктеризуадап магнитные свойства и

геометрические особенности областей 3,4; д - площадь КЗ; п -нормаль граничной поверхности; V- расстояние мезду узлами КЭ на поверхности ПМ; - вектор узловых значений Лм.

Полученные на основе (2.5) результаты расчета характеристик ОМ для учета трехмерности корректируются с помощью-коэффициента приведения (гл. 4) двумерного поля к трехмерному. На примере уравнения Пуассона

V М + в_ [V ^ = л +

ах . у ах. ЗУ . х аУ. 7.

(2.6)

в работе исследован вопрос учета анизотропии ПМ индукторов ЭМ,

где

5..

в

37

-м» ОХ (1'х-иМ0.х] + к [*ЛиОу] Показано, что при неоднородных краевых условиях второго рода уравнению (2.6) соответствует функционал

Л о

галг

(2.6 а) первого

„ 1 гг * галч

р = - V —

2 п У .эх

+ ^Ы

■Я'.

М соз(пЛу) ох

"у

Оу

соз(плх^

С1Х0У +

А <11. (2.7)

¡■до выражению в квадратных скобках криволинейного интеграла соответствуют поверхностные токи намагниченности 1 , которые рассматриваются как краевые условия второго рода на поверхностях с 1^0. На основе теоремы Грина и вариационного исчисления в работе предстазлены.также вопросы доказательства истинности функционалов и описания ПМ индукторов ЭМ сложной формы в процедуре МКЗ.

Полученные результаты примениш не только к РЗМ, но и к другим высококоэрцитивным ПМ в диапазоне размагничивающих полей, когда ГШ имеет линейные характеристики. В первую очередь, это ферритовиэ магниты, а такие некоторые ПМ типа ШЩК.

В третьей главе расмотрены математические модели беспазовых ЭМ с ПМ в терминах иы . Разработка алгоритмов расчета трехмерных' магнитных полей на основе Им сводится к определении поля от системы объемных и поверхностных магнитных зарядов, обусловленных и намагниченностью и токами в обмотках устройств. При этом а„"рассматриваются как задзнкые граничные'условия Неймана. Моделирова-

г I с дк \ допущениях: ферромагнитные

1 л ( 1 " I ленными; кривая размагни-

" 1 ЯМ -считается однородной,

1 ) у-1 1 *о ти и изотропной по маг-

^ т равномерно по поперечному

/ з расчетной области в

уравнения ; ■■

-г С. г .->1-„ . I 5% д% •'■'.. . -...... Ь + я — —.Д-^ = -ри - (3.1)

. ¡шлолредствешшР. • расчет на основе (3.1) с учетом

**ги полл' к1-', .практике • ■пригонит-' к • трудностям.", шоет-хми, зачастую. ' невыполнимыми требованиями к . <п"'г;.р.г--«нгИ тшяТг ЗЕК!, зн^чктелъкнм расчетным временем, друдоем-:«чт» гге-дготочкп-и ы,ода исходных данных,: сложностью анализа и г.5счгой -оооср-.мосты).■ результатов', ''расчета-... ' Учет особенностей конструктивного исислкедак • оаслазових •'ЭМ,- и свойств высоко-: коэрцхтл&кш: ГШ. '::ос.г.олил . разлоюггь' искомую . функция три состаитлх^г кяхуяж и ■ ■периодические по' угловой координате источника ..магкитаого поля • р^-, а в ряда Фурье:

^(г.р.и; - ^хМл(г,2)сор рпу ,- <3.2)

тдз з,, прлшает соответственно,значения. им-, рм, . ом, н, -.'ггодставкЕ их 2 (3.1), получить бесконечную систему ■ двумерных /диффэрен-. циалышх урашекий'влда--. .. ". ',; д;..: ".*.

I с/ , , ^Чш (рп)2 ' : — '¿"Т -Н + -¡¡Г- - Ц — иып ; (3-3)

тем соикм свести задачу создания- трехмерных КЭМ оесназоБЫх Ш с ГШ к совокупности двумерных по ■■■отдельным гармошкам.. В качество расчетного; в работе, принято, соотношение,- получешюз.-.путем

объединения элементных уравнений'- ".'.:■"•" : ■ •

иг г , д(рп)-л Г2 I II , Уп ГГ . Г1] —|К°|+- I 2 I | {г; } =--| --41

Л -I 12 г I I 2 ! ■ I Мп-1 . 2 [I 3 [I

1 г 1 аУпЛ"р

р..-™

(3.4)

где г=(г1+г;(+г1г)/3; р - число пар полюсов ЕМ; ~ вектор

амплитудных 'значений и в узлах сот:;;: КЗ, шрвааюцих условие 'стационарности '.функционала.'

(3.5)

построенного в работе в соответствии с (3.3) для отдельного конечного элемента при использовании треугольных КЭ и линейная атгпроксигдцпи гдк S - область расчета ЭМ а шоскомеридвапкс« сечегеш ф=0; L-контур полюсной поверхности ПМ в том s? сечении.

С потлоцха аппарата рядов Фурье з • работа получен ко&я.зокс соотношений ри , для различных конструкций индукторов, типов намагниченности, структуры, гоометркческкх форм Ш-г.:эдулой и составных ПМ бесг.ззових ЭМ поступательного к вращательного движения с многополюсника и униполярными систежнн ьогбуадолия. Представленный подход позволил в значительно:;! cvonemj преодолеть указанные вше затруднения расчета с учет-.« трзхмернсста поля, сделал достушим реализацию гагзнеррих и прграм« проек-

тирования беспазовых 5М на ЭВМ среднего кдрсса, a isnse перссналь-шх, избавляет, от необходимости прове;депич специальных иослодога-' ний гармонического анализа, зачастую требуемого при изучении интегральных' характеристик SM-, обеспечивает за ограниченное время возможность многовариантности . расчетов при регента задач оптимизации. К преимуществам разработанного КЭ-подхсд» следует отнести и достаточную простоту определения интегралышх характеристик ЭМ с' учеток трехмерности. В работе дат-: вызод-и приведена совокупность вырзяз'ппй для .пычислогая послойных значений полезного.'магнитного• потока, удовлетворяющих кпсгс^бтзнз зм, встречзЕДИХся в ярзктакз проектирования ЭМ с Щ класса б;спа-зовых.- Так, при необходимости определения потека к пределах произвольного угла О <s f < t в задание/.' ссенпи рабочего эдэ'.ра

соответствен« для рздиа.'.ькай и торцевой ЗМ, и также

" : h. 6)

(3.7)

I

П7,

^ п=1

1

♦гЧ

8аП-

К

дл.-, лянейшх Э:«, включая и униполярные индукторы с составили Ш (СИ), где- ); н,.«, к к2.и2-

комзря узлсь КЭ сетки, расположенные соответственно по •осям Ъ к

к - число учктвасшх гармоник;- г - радиус сечения;

ш

"о!

углом»? значения постоянной составляющей индукции по оси г; К-чкслс П.','.-:'.од5;лей на полксо индуктора ЭМ. .

При на^ичхк тсков в расчетной области для анализа беепакйьЫХ о.'.: с Л','. в работе был использован метод приведения вихревого магнитного поля к потенциальному полю источника, основы которого р^зряоотакы К.С.Дсмгрчяшм, Е.Л.Чечурянш.1 в-предположении возможности яродставлсшя кстгквого значения Е в виде суммы двух сос-тязлнхздих: расчетной К и дополнительной Н . Подобрав каким-либо образсм патл1 Н , удовлетворяющее уравнен::»-'гоШ =7, от системы

К0- -'©ж«,, гоШ0 = «ТВ = О, В = -д(Нр + Н0) + -дД

;ф.:лод!!м к уравнений (11\у еггсШ- -р , где р = -d.lv цН-й1г-цпИп.

М (п М и •' и

Уржненяв гсаК^З но имеет единственного' -реэошш. - Выбор поля 'Е0 осуцсствлялся так, чтобы получаеков при этом распределение источник:«» соотьотслхшало минимуму вычислений при реиеншг,задача. В работе рассмотрен процесс'определения.функции Н при расчете полей оеспазогш. ЭМ с ш поступательного' и, врацательйого двзюеия.

Г< четвертой " глав? вшголнепц исследования ..особенностей практической роагазаща, определены преимущество, и -достоверность аредлэзешых'КЭ алгоритмов расчета полей и процессов .в Оеспазовнх ЗМ с 1Ш с учетом трехмерности ноля.

В .кзвестшлс работах ' зарубежных- авторов ' . (Л,Ь.Сои1ошй,. МЛ'.К.СЬагу, Р.СашрЪе11 - и др.) по расчету трехмерных .магнитных, полей методом канэчшх. элементов-в ЗМ-с.'ПМ при' 'даскротизации'.рас-. четкой области'используются, трехмерные КЭ. Б работе, показано, , что такие подходы по сравкошио. с предложенной методикой проигрывают по требуемым объему оперативной 'намята К'.зре;.1оп: счета . :.

•Многообразие' МО,- с,'щиуктораш.на'- высркокоэрцйЕ5ша.:;Ш,■ как правило, отличающихся•.'от конструкций''.¡традиционных. .ЭМ,'.;' вмещая

место нвсинусоадашюсгъ распседоления о,, сл»доьз?алык>, л

' м м

несинусоидальность изменения по <я магкзи-юЗ индукции не псаво-ляют непосредственно использовать пзвестнне подг.одк (Л.й.Е-кгк/П, Я.Б.Даншгевич, К.С.Демирчян, З.В.Хомбровски:;, В.Л.чгпурап :: учптываяикв пространстр,енно-пер;:од::чоонук структуру ir-.ii нитнопс поля и применяемые, например, пра рзгчота коля ь гог.с/.-вкх частях коупнкх ЭМ. Отличие от синусоиды закон':! игг.кншил ттс углу нормальной компонента В не позволяет гри аналоге Г.-:л с ;?„ огг-'л:/;;-:-ться. расчетом единственной тархснккн. Для большого числа гармонических составляйся* при расчете трехмерного цростр^кот-ьоняо-пориодпческого поля треоувтсн критерии задания числа пространственных гарлових N. обеспечивая.::!;; удоглетвсзпте.'з.куи погрешность расчета основных характеристик Э:.! б гиде рялон. 3 связи' с этим возникает необходимость иеследенання и . слепенд дискретизации исследуемой области в зависимости от ном-рз к. Степень дискретизации исследуемой ' области ко многом определяет погрешность нахождения амплитудных значения; и,.„. В скою ечередь количество элементов в области расчета преяде нсего ззд.-^гол значением градиента искомой'-функции. Б случае равенств?. градиентов отдельных гармоник, выбор шага разбиения могго осупвсч.дя'.гь по любой из гармоник. Исследование вел::<:::л грсдисктов ь,п, пме-гиъЧея опыт расчетов по'созданным КЗМ, а татоке числение 5кс1теп'.'.:хч'Гя: но исследованию относительной погресностл сеточного реле;:;;.; позбо-лили обосновать правомерность проведения расчетсз 0:.5 с Ж по с.е.г; гармоникам на неизменной сетке КЗ, ш:С;грабыой для г.-1.

Как било указано, предлагаемая методика расчете пространст- " вендо-перлодического поля; оставляет открытым воггрос н о выборе числа гармоник, обеспечивающих заданную точность рзхенля. Стремление 'преодолеть воаник'леэ затруднение заставало обратиться к числешштл экспериментам ясследуекых .конструкций -.Э^. Погрешность усечения ряда определялась путем анализа гармонического осетина рядов Фурье при. использовании коо51л:щ;ента гармаьпм,., а т.я-:;:;о согласно признаку Лейбница для знакопеременного ряда и по теореме Пэрсевэля, исходя из среднеквадратичного отклонения частичных сумм ряда от фузгкции . распределен1!,-; ' магнитных за-р.-доя. Ь результате проведениях исследований выработаны' р>-чо?д?ндг.да по выберу количества гармоник, обеспечивающих требуемую псгр^ность моделирования.

В соответст?пз с теоремой Парсеваля среднее за • период значение интеграла-' от квадрата функции выражается через ком№ад«гю ряда -$урье следующим образом:

H'l-I^Mvli, « + (4Л).'

где Т - порнэд функции, равжй 2%.

Иредяолсаим, что магнитная система ЭМ торцевого типа выполнена из ЯКШ (рис Л Л д) в виде секторов полого цилиндра. Учитывая, что для; рассматриваемого;ряда А и В в (4.1) 'равны нуля, получаем следующее выражение: . ..

r " hiítín

s^i:acln¿brj- •:' (4-z)

гг-1" - -.. . ■

Оно описывает вклад в сумму ряда первых N. его членов -не только для торцошх МО ЭМ, но и для цилиндрических с РНПМ. Анализ. . дискретного' амплитудного•спектра Ап показал, что для достижения одной и той жо • точности, необходимо .- учитйвать различное число гпрмсяик, которое зависит' от . величины полюсного перекрытия а/т. Выражения типа (4.2) получены и для других функций распределения магнитных зарядов. Так,для ОМ'с-цилиндрическими ;М0 с ЯШМ

4 I [rPTTp 3ín(«(pn-1))+HrT75 sin(g(pn+1 }f . ' : .

s = ______• . •. м.з)

я x(ccp+psin(<xp)l :■ '-.-._ * ;

. Поскольку.функционалы, соответствующие дифференциальным уравнениям, обладают фильтрукхдаш свойствами, вклад. высших' гармонических рядов индукции и потоков,., а также других 1штегральных характеристик ЭМ будет, лрснвл.чтъся слабее, чем функции источниковv. Этот. факт ..цодевэрж&аётся результата^ доле дов^ния.

ЗМ .ашиндрхческого (рис.. 4.1, где I .- опенка по теорема Парсе валя, 2, 3 - .численный эксперимент соотзегствежго дляяндукцли В и потока 0; табл. 4.1) л дискового исполнения. Относительные сиибки ' при численном эксперименте определялись по величинам В п Ф для 81 гармс!«ки, 'начиная с; которой значения О и В'практически; не - изменяются.'- Количественный. анализ показывает, что . дум достижения погрешности расчета В и.Ф около 5 % можно исходить из оценки, полученной при усечения ряда.оу з пределах 5

V я

щ xSJ ^ / b ~s -

г 13 n

н- радиально-намагничегеше ПН а'т-0,8 р=16; N=81

Рис.4.1

8 ,Гл 0.31

Cliso 0Д9 0,23 0,Í7 O.îî

— » —

л- X- mm и*ни» ""I / <—*

P.'W /

/ /

/

- У

US ИТ КЗ irá (53 ft)

■ -4-

Рис.4,3

8,Та

0,1

0,2

0,1

-кхц»)

«шоу

-шоу

fj» 33,57

Ï0 50 Ч5..Л о)

Рис.4.2

Таблица'4.1 Оценка сходимости рядов для цилиндрической магнитной системы (<х/г=0,804, р=16)

N Оц0кка„по теореме Парсе- валя е. % Численный эксперимент

. ВД В, ТЛ ОД Ф ¡О5, Вб

Л - -15,00 0,309 . 4,444 5,82

3 9,72 1,86 0,259 0,81 6,13

5 5,01 1.12 0,262 -0,95 6,14

7 «j 136 -1 ,29. 0,269 -0,55 6,10

9 2,53 0,82 и.^ьз -0,22 • 6,09

11 2,02 0,33 0,266 .0,00 . 6,08

79 - 0,00 0,256 . 0,00 6,08

81 - 0,00 0,256 0,00 6,03

Для растфзшя возможностей разработанной теории КЭ расчето] ЗУ. с ПМ.- в работе предложен комплексный подход проектирования, учитывающий, трехмерность поля и основанный на совместно: использовании программных средств (ПС) ПС1 и UCZ, которы! предназначены соответственно для расчета плосколараллельного (j торг.сшах А) и трехмерного (в :'терминах' UM) полей. В такоЗ постановке процесс„ моделирования состоит из двух этапов: I расчет магнитного поля и интегральных характеристик ЭМ по HCl « учетом всего кног ообразия особенностой конструкции; 2 определенно по ПС2 коэффициентов приведения двумерного поля : трехмерному к — 0"/сГ, где tf" и Ф" - соответственно потки : трехмерном к двумерном представлешш поля, и с их помощь; уточнение параметров ЗМ с ПМ, определенных на первом этапа. : работе обоснована целесообразность расчета по перво:

гармонике, что существенно уменьшает затраты машинного времени По результатам КЭ-анализа изготовлена серия из 12-ти-. 32-полосных дзигателей-гахоБиков (ПО "Омский электромеханически завод"), на которых проведены экспериментальные исследования заключающиеся в измерении кагюгевого. штока на каздом из 32 пола сов' всех ЭМ с последующим усреднением полученных результатов, табл. 4.2 н на рис. 4.2 я 4.3. приведет данные 'численного моде дарования реальной ЕМ с осевой длиной.а = 10 ил и фиктивной ЭМ г, '- 162 мм (для реализации допущения о плоскопараллельности по

1), где Представленные результаты свидетельствуют, с од-

эй стороны, об ьделсватнссти ПС1 и ПС2 при расчете 3!,! для р>33, с зугой стороны, о бояги высокой точности модоллроваши реальной ,1 при использовании ПС2. Изучайте характера распредолэния инцук-.ш з нсздуянсм зарорз по И, У и Г. координатам подтверждают этот тэд. Г/:я хфвдста&левдого в табл. 4.2 пример поток в дву-эрно?:' представлении, умноженный на 1С , составил 0,626.10"*"* Вб.

Тайтаца 4,2

Оззвкэдо) результатов расчета шгссяопараллельного (А) и* трехмерного &1Г,) даюй. и результатов эксперимента

Контролируемо величию лм (3-33 |5Т Р-2,33 эксп^рвтаят

.«М0~~Еб Т.17 7,04 б, 65 6г5в

9, СО 7,00 1,06 0,00

В,1'л .0,2193 0,3136 0,2?4£ ! 0,2814

,а.Тл 13,5 | 12,г 1,2 , ! ■ о.с-с

Укагашп-.*! подход а ря;3 случаев ирг'вивш'^

КЗ а ис~э-ьзоеп?п:оч трохиергшх. .-^-и ¿оз иа-з«.' бплео высокой конспчисзк: пз затратам •«•«гзййк расур-.'.эп, всз:,'0/„:остй упри:у-Йа прог-дурн подготовки и ггода дпгчих, СргМчк.. -•* ::нэлл:"ч езультатоЕ вачксленхя.

.Анализ достар^ргп'-т-: ргзул„^атог- !0 расгэтоп иггзодмдся нг яде вариантов яонструг.: УЗ с Ш иуто" ср'-женин ~ззуль:.:.тоз ■г. пата с 8Х5Пвг,?®нтялчь г' даг ^оду4:^--.а'^ и-1 фк^тчэскпх •од'злях, в Е'Э "Пс: изалзктрсйаа", л 1;0 ' .'нешй аяхтро?.'-»-ашпзсглй завод" а текгэ 'нуззг.! сргг.иншт ^лчулмггуо рсэтот с г г;:а'".! ала.ии'и'ги'пх ревзшй и с ^аудьт.огг я ■асчетов других (З.А.'Тэдаг, ли;»* и др.).

Исследования роялти уэ (да; -и*гсдагм--л:»с»*а:ал' г*>">к'й -исто-гппгого тока, сджкрамагпктшо: п л,;-) псм-е.":и.'; -;дз-

'п?т> ¿ирод о зозмс'-'зюотц. д«свя»игя "собхсдй:сл кп ярг'.:тпки 'о'ч-саи: моделирования• с ¡31 аа б:. -., радрабс^ашпго подхода.

Учз'Х кеаструкгспзгж ососеаюс1е£ С£<еяазоБ!а " спепвЗк-"с;:-.:; свойств П2сс-;:оносрцгт,-1глаг. 1Г,! и ооде'шг-, теории .КЭ йсч1" ч'оа' дазЕл&гяа в?«с¡:г<5о?я свсгь гсчигораа ь¿ас-г.у„я

[гт-мсшти чяг.-гп»ш?. кетодоз': л -яадечах г":;2кт-г::;с/сс? разгула жтекайизских иодэдаЯ, 653BpyB.fi' я иа йоп-зрс-ч -»ягоде иосло-

дования электромагнитных процессов и выходных характеристик ач. Такой подход: от анализа магнитных полей к исследованию процессов в 311 и ах выходных характеристик-является очевидным. Тем кэ менее количество примеров успешной реализации его на практике ограничено из-за чрезвычайно больших вычислительных затрат, необходимых при совместном решении уравнений поля и электромагнитных процессов. Наиболее строгим и физически обоснованным нвпра влением моделировашм установившихся и переходных процессов в ЭМ, обеспечивающим комплексный учет двухсторонней зубчатости сердечников статора и ротора, насыщения магнитопроьода, изменение конфигурации зазора при вращении ротора, является разработанный ПОД руководством А.Б. пЪапййа—1СмОЛбиСКОГО НОВЫЙ уНЛБОрСЗЛЬНЫй

метод электромагнитного расчета ЭМ, названный методом проводимос-тей зубцовых контуров (ШЗК). Значительное развитие, теоретическое обобщение и практическую реализацию применительно к любым типам ЭМ с дискретным распределением токопроводящих областей МНЗК получил благодаря исследованиям В.А.Кузнецова. Одним-из возможных редких исключений ЭМ, специфика конструктивного исполнения которых препятствует непосредственному применению МПЗК на данном этапе его развития, являются беспазовые ЭМ с высококоэрцитивными Ш. Математическое описание таких ЭМ целесообразно строить подоб но описанию моделей ЭГЛ с электромагнитным возбуждением, изобрази их системой тгнитосвязанных и перемещающихся контуров.

Принципиальное отличие -ЕМ от электромагнитов состоит в; том, что контур обмотки, моделирующий ПМ, подгслкчен к источнику тока 1ПМ=НСВЬ, определяемому высотой И магнита к коэрцитивной силой. Из-за'постоянства.последних " 1Ш не .индуцирует ЭДС трансформации в других контурах ЭМ, и учету подлежат только ЭДС, обусловленные ьзаимнш перемещением рассматриваемых контуров и ПМ.

Наиболее ответственным и сложным.моментом создания математических моделей беспазовых электрических машин с высококоэрцитивными магнитами'для исследования электромагнитных и электромеханических процессов является определэние зависимостей между потоко-сцеплониями контуров и токами обмоток. На . базе МКЭ, аппарата рядов фурье, теоремы Стокса в работе приведены расчетные, формулы и рассмотрены два пути расчета потокосцепления баспазовых магнитоэлектрических машин поступательного и вращательного движения с учетом трехмерности поля. при поэлементном и послойном суммировании потокосцеплений, которые дают возможность выпол-

'Кения аналитического дифференцирования по координате перемещения ротора, что позволяет облегчить нахождение выходных характеристик ЭК. ' Получены дифференциальные уравнения электромеханического преобразования' эноргаи для рассматриваемого класса электрических машин. Предложены методики формирования вектора потокосцеплешй Фа ■= 5(6,1) на основе расчета поля всего лгсиь для одного углового' положения ротора путем сдвига сетки КЭ и использования принципа суперпозиции полей. Приведены расчета« выражения и показано, что

и Рэм беспазовнх электрических машин с. высококоэрцитивными магнитами в общем случае состоят из трех частей. Основной является составляющая, обусловленная взаимодейстием тока обмоток с ..-шлем ПМ, вторую' - образует реактивный момент, возникающий в ЭМ из-за явяополясности или анизотропии индуктора, третья -'является, следствием вариации ® - контуров ПМ при изменении положения Ш относительно ферромагнитных конструктивных узлоз ЭМ.

В.пятой'главе дана характеристика разработанного комплекса ПС н приведены исследования применения его для изучения особенностей, ■распределения, полей, определения. рациональннх областей использо-•вакия и выбора; вариантов •'• конструктивного • исполнения УЭ с к,! общепромышленного и специального назначения с целью улучшения их. технических показателей.

Проведен' анализ воздействия направления намагниченности маг' яитоа-'?.год7лей.- и составных ГОЛ на величину Ф и. характер изменения В, а таюке выполнено сравнение различных систем, возбуждения шогополнсшх МС мвшии 'постоянного тока (ШТ)-и ..синхронных машин (СМ), .полюса которых выполнены из РНШ и ПНШ, а такта составных . .'магнитоз. у (СШ).',-'.. модуля ' которых нвиагначеш параллельно. В "качестве базового • объекта' 'исследования использовалась магпитная '• система ;ШГ- 'нового-, ткпа '(ШО "Псков'электромаш") с'- гладам якорем . и- ШЗ-нодуля?я1 лз статоре (рис. 1.1 а). Анализ СМ проводился па «одели НС, приведенной л1а /(рис. 1.1 й). Парйгетрн .КС - данных ЭМ ' прйвэдекц • р ' 1273 ТТрМ .-допущении плоскопараллельности поля и ,'оюгоании 'ПМ: посредством {¿ -для ГШ рассчитаны кривые.' нормально;} составлящэй'/напЁжюЗ ивдукцяи Вд" на' посерхкостя якоря ШТ (рис. 5.1), па внутрешйй . поверхности статора СМ (рис. 5.2), а такая пульсации. Вп, опрздЬляицие пэ стабильность интегральных характеристик, ЭМ.' Езд кргвшс показыразт, что в зре'тсимости от значения числа.'.-йар полисов-р и ий«агЕПчеяносги Ш козво получать законы • распределила • Вп; бглзхкэ к гармошкесксму или трапецеидальному.

О 10 20 30 40 50 60 (fpjiyo? Рис.5.1

V Ifl

0.9

OA

о?

ць

I

Рис.5.3

Р 4

3 TÔ

Q24 О Jó 0,0$

Л, \ N / V A

>

/К V i

S V I

4 V J

* V. í

i \

às т„

ол

;

пням

А

1- сплошной "

поте

2-/V-2 - А 2-М-4 '

~tQ 20 39 AQ Î0 Wt»¡ну.

\i

О ¿0 :4o ¿o TviifoS Р/ Рис.5.2 Рис.5.4

ñ

ив меняя других параметров ЭМ. Кроме того, следует отметить более высокую однородность поля в ЭМ с ГпПМ. Принципиальным отличием от распределения Вп магнитного поля в СМ от поля в .VJ1T является превышение ВП|ЯЧХ над Вртах. рапноо 7 данная закономерность в целом не изменяется и для других параметров ЭМ и ИМ. Проведенная количественная оценка показала, что при изменении р разность м.ткяу потоком Фр, создаваемым P-Œ.M, и потоком Ф[]Р создаваемым ПШМ, уменьшается в МПТ от 3I.8S '(р*1) до 6,25•(р^Ь). По мере увеличения р поле пша становится, более однородным из • за увеличения постоянной и спада переменной составляющих i ввиду уменьшения полюсной поверхности ПМ. Анализ получешшх результатов и данных

(Boules N. Prodlctlcii of по- loai flux Jc,iL.ity de^tributlon iri permanent magnoi siclilno^. -IEBB Tr. induotry pplxuntion. 198b,

21, ил, p.633-643. ) показынвот. что зьаченил Фп, как п] вило, больше Ф„(рис. 5.3). Наиболее отчетливо Ф >ФП проявляется и ï/JiT особенно nos р»1, в СИ обеспечивается и возможность достижения î'n><î>p. Замена сплонгных ПМ на согтавн>79 иг. !! параллельно намагниченных ПМ-модулей указывает на возможность достшвушя результатов, характера« для ?плоюшх аддукторов ЭМ с рнпм. Замена в СМ сплопннх поляссв составкиш иллюстрируется ни ркс. 5.4. С одной сторона, увеличен::? И до a приводит к уменьшении п?,-;ьс<»циа индукция с ? 31 до 2,5 с; другой, - к г<озрг.стсни» Фс, создаваемому-СШ, который при N=8.становится практически рввнкч Ф . Представляется такке интересным сраОДчств потоков CM v МИТ для одного направления намагниченности J'LM. Л рассмотрзнчкх КО сб^зи-пивовтся более высокие значения О при расположения' ÏTC на роторе. По мере роста р-.эта закономерность усиливается. Мс-не»? олччтливг. :июно-tieprraoTb' проявляется у РШ1М, бодэе заметно у DJ1 с ПНПМ.

Разработашше КЭ1' ri Г.С использовались прч проектировании высокомомектного "чеги^хлаяюсного лГГГ с гладки:,- якорем для НПО "Покоезлектромаь". Так кок неправленка' потеков Ф и обмотки якоря Ф в'пределах полюсного дэленья t отлг^лтеч, для снижения требований к cnepsnrairï . памятк 3«»- • предложено v "пользовать пр-.-лгкл суперпозиции шлей ГО и ■обмотки. Для у-;ета наензюшя ьоличдаа' г . сре.га " корр«ктируз'то« го. : резул^кфушену полю. 3 результате таслегаих.эксперт гштов пр^длокв; *> ноглая. СУвма компоновтя î,',C Б;;сскогсмвк-;^х Дц£. и-г.-эгтзв ссстпвдом мвпвдо-провода стятора и установка в кев яемапштней готовки по оси симметрии; хездого полюса ¡ауогкторз позволила. . ( сропнедио с

базовым вариантом ДПГГ), соответствующим выбором параметров немагнитной вставки более чем в два раза уменьшить Ф -, индукцию в зоне коммутации, увеличить общий. Ф на 5%, а 'также М„_м и КПД.

В реферируемой работе предложена стратегия формирования МС бесконтактных ДПТ с БЫ' с целью, уменьшения пульсаций ■ Она применена для создания бесконтактных двигателей-маховиков (НПО "Омский электромеханический завод") 'с многополюсныш индукторами (р-15 - 21) из параллельно намагниченных ПМ-модулей из сплава БшСо5 с Вг=0,77 Тл.Пульсация М^ данных ЭМ главным'.образом определяется уровнем пульсации магнитной- индукции в области расположения обмотки. В результате структурного и параметрического синтеза рекомендован вариант исполнения КО,.-в'.' котором, по сравнению с- базовым вариантом, неоднородность поля уменьшена- от 66'. до 2 ^.достигнуто также двукратное, увеличение пускового, момента, Коэффициента использования МО-и на 452 рабочего потока -без увеличения габаритов двигателя.' ■'-."'.

Проведен сравнительный анализ ДЦ с. симметричной (СМС) и не-.-симметричной (ШС) магнитными системами (рис.' 1.1 е,к.) по величине и стабильности развиваемого тягового усилия Р=±Рпи + Уэи, где Рпц и Рэм- усилия, обусловленные .'соответственно взаимодействием Ш с обмоткой и. магнитопровода с обмоткой. Кокзчно-элементшй анализ силы осуществлялся согласно выражению

н. .'., . ' •

Р= Л Ф (г + . г ) . ; (5.1)

** ш т+1 ш 1 Щ-1 . •

где 1 - ток в обмотке якоря; гу- коэффициент укладки; диаметр Обмоточного провода с изоляцией; Фт- магнитный поток в'ш- ы слое обмотки; М - число слоев обмотки, на. которые она делится . конечноэлемептной соткой; г^внутренний радиус слоя. . • ■'

Проведенные исследования позволили обосновать, что ДЦ с СМС имеют преимущества по уровню пульсации'и величина результирующего усилия V, а следовательно, по динамическим. и ■■'энергетическим показателям. Значение Рш. зависит от. величины и направления плотности тока л ,"■' а также от краевых эффектов. , Для . СШ Г''эн«0, а для .-НМС - является . функцией полошил подвижного' элемента АЬ и ^. Так, при 3=6 А/мм2 и ¿Ь= +8 мм пульсация дРэа достигает .15 и 25.5. Это является одной из причин большей величины пульсации АР в ДД с НМС, которая составляет 13,65», в то время как для СЫС. - 5,3 Ввиду того, что , с . увеличением .] Рэм растет;.

быстрее Fn„, для больших i ДР в ЛД с ШС возрастает.' Кроме того, при (+J) и ( J), а также Д1=0 значение ? для ШС отличается в 1,35 раза, при этом оба эти значения в 1,9 и 1,4 раза меньше Р, развиваемого в ЛД с CMC.

Шестая глава посвящена применению КЭМ при разработке бесконтактных тахоге.чераторов постоянного тска (БТГ) с возбуждением от высококоэрицитивных IM. Основными моментами этого раздела являются: математическое моделирование БТГ на основе теории поля, приводятся результаты применения разработанных алгоритмов и программ!» сравнению, анализу и формированию MC БТГ торцевого я цилиндрического типов. Описаны предлокешме автором и защищезшне авторскими свидетельствами БТГ.

Анализ публикаций последних лет свидетельствует о том, что проблема измерения мгновенных значений угловой скорости в широком диапазоне |10л-105|, захватывающем и область малых скоростей, может быть'рекена на основе , разработки БТГ постоянного тока, построенных на базе многофазного синхронного генератора (СГ) с возбуждением от .да," обмотки которого коммутируются электронным переключателем по сигналам датчика положения ротора. Для построения прецизионных БТГ необходимо, чтобы ЗДС су.ствш измерительных обмоток СГ. бит сдгинуты по $азе и имели форму трапецеидальных кривых с возможно большей протяженность» плоских •вороЕн, частично перекрываяздх одна другую. Параметры обмоток подбираются таким образом, чтобы фазные ЭДС имели. одинаковую кятлитуду. Осуществляя в ыомвнти перекрытия плоских вершин ЭДС коммутацию обмоток,' на выходе БТГ получают1 сигнал, пропорциональный" ьтновешюй угловой скорости. Трапецеидальная форма ЭДС' отдельных фаз тахогенератора. может быть реализована' либо' за счет формирования; определенной, структура поля путем вариация' геометр;в1' и размеров ,. МО, либо путем'. изменения параметров йзмерктельЕоЯ 'обмотки. . Второе .направление- - с использованием метода' гарксгшескЬа ксррекциа * раализсвано' в БТГ типа ТБ-40-2-6,. рагработапша • в . .ЕШГ>2лвктрояаа •• (Лебедев H.'L, Гапдау В.М., •Беляева'O.A.¿' Явдоаак Я.И. 'и др.), псрязе-в БШЖ?.Ш,- прэсбразо-'ватела TC-4S;. TC-7I (Кржой В.Н. , Сзкодуроз В.П., Гальникова S.A. .и др.)».-'ряде ¡зарубежных, фирн' Ciiialhaiia К.» Rodger D., Kosai Y.ii 'др.К а тага», о БТГ, созданных автором з процессе наполнения настоящей,-. работы.. В сбоях случаях. проблзма создания БТГ о .хцсскал.. пкспдутЕциозпнгы характеристикам; требуот учета

характера распределения магнитного шля. Такая математическая модель БТГ может Сить получена, если исходить из простейшей конструкции, состоящей из кольцевого магнитопровода с измерительной обмоткой и ротора, укрепленного на валу. Измерительная обмотка включаот две секции, смещенные на угол %, включенные последовательно, встречно и равномерно ;распределенные по окружности магнитопровода. При обходе магнитопровода по часовой стрелке первая секция расположена в пределах (-ж/2 - я/2), а вторая - от ж/2 до -31/2. ■ Угол поворота ротора р отсчктывается от начального положения магнита. В случав рядовой однослойной обмотки и двухполюсного индуктора ЭДС преобразователя • ,

Ег = 4 И \-!уд| | в„<?)"г М и Ч1уЛ «у, • (6.1)

<г. :."■■

где $уд-удельное число витков на 'единицу-, угла; йд - угол меэду меридиаштас? плоскостями; йг -.расстояние между плоскостями,, перпендикулярными оси а,'. совпадающей-.с осью конструкции; ыагнптный поток БТГ, определяемый заданными пределами штегриро-вания; ц -'частота'вращения./

Полученное вырахение (6.1) позволяет производить исследование влияния конструктивных особенностей преобразователя на величину я закономерность изменения ЭДС измерительной обмотки.; Обобщая его на случай многодолзсной многофазной измерительной обмотки (кольцевой или барабанной) и предполагая неизменной величину потока в пределах малого- слоя обмотки, ъьфазенкя величины и пульсации ЭДС в зависимости от угла поворота ротора южно представать в виде. _/•'■''■

„д 2(в-с ~ v

Е= 2р > о V/ ф , (6.2) Ев = Р + Е ~ ' '<£-3> .-■■'. Ч У.

где Е^ - значение ЭДС при р=0; 0 и 2р - соответствэшю число . слоев обмотки и полисов БТГ. -

Если геометрические размеры БТГ допускают рассмотрение плос-копараллельногс! поля (вдоль.оси г величина Вп(<р) не меняется), то для первого представления в соответствия с теоремой Стокса и выражениями (Б.1), (6.3) в .цилиндрической конструкция с радиальным направлением поля индуктора

3=1 . "- • V = DK - Ao] <6-4)

сц D К/г - 2Ao + ¿y] • i-i

где C.^ = о D = 2(аг - г1)- удвоенная осевая длина преобра-

зователя, А0 , Л.г - значения векторного потенциала в местах

расположения .зитков еззипй,-соответствующие углам <р = яД2р); 0; [i/£p) - fj¡, причем если f) определять через угол .коммутации, то для m фазных обмоток f¡ = x/Üp¡4- Соответствующие соотношения с учетом трехмерности поля для дискового и цилиндрического исполнения БТГ можно полутать, используя предетагвзннке в третьей главе BupsKSHB» потоков в терминах Oü. . ." Введя обозначения. А, = 2(зг - zpr/р; Ag,jf <й| - пр/р;

для щшщдр^ееко^ конструкции получим

гД О- . Y

К* = А.) А. I. ; í> = i. у Л, -Blníitóp-—)• ,

2¿ ci.iKÍ¿inPin - ^»HHL •

1=1 . n»1 ■

c "" • м : : г~7п~~~—— - — .(6.5)

'Аналогичные ■ рпвс-цстга ; 'длгг , .'дчеуэтал) íuT получателя из (6.5) ■ зш.:"поЗ .г: А, нз А2 a ¿ . .Соотп&й?'..-'гл- (6.4),. (6.5) кепэоредстявпно, о (G >,) с зокепой Руд ui' па. с0->?гз?е?вуа:;т$ коэффициента'- ..могут -бить ..• использеззга • для • osícsi ьз.-яг-шш г аудьсацдк друла щтегралыш:* гареятерястак-- гг-зда^ого Г°да .¿остазовц*. ycípóS«i-E \алэк?р».'хаят«и' с- Ш. На осна?сши расчета тагяитдого подл : йоге* <йгаь рг«ана сдача сбора . требуомих

СПТ12>!2ЛЬТВ«' ССйТНС^ШЙ К"' рвШЗрОВ, О

изменена ' конструкция пр.^еразоьзг9л'1 'я** ¿зеотдоди . тресус.згх ■еочяздтй.ГЗЗ» Пг .•••.-«к^гвг-..í а К»? иввЗолго взвдш

£

характеристиками являются величина ЭДС, погрешность • измерения скорости и массогабаритные показатели. Эти величины и были выбраны в качестве определяющих критериев оптимизации.: При анализе данных критериев было обнаружено, что они не согласованны мевду собой, т.е. с уменьшением габаритов снижалась величина ЭДС и росла погрешность измерения. На основе метода покоординатного спуска в диссертационной работе разработан алгоритм, который позволяет автоматизировать процесс формирования поля за счет вариации параметров магнитной системы БТГ заданной конструкции. В качестве функции цели выбрана величина ЭДС. Ограничения накладываются на допустимую погрешность (с=0,1-1,0 8) и рабочий угол поворота (й=30°, 45°).- Для -этих условий и заданных минимальных размеров магштопрозода определяется экстремум ЭДС 'при вариации ширины полюса ПМ, величины немагнитного зазора и числа витков измерительной обмотки. Пределы изменения независимых параметров определялись из физических представлений. Разработанная математическая модель была реализована на EC-SBM (алгоритмический язык HL/1).• Программа состоит из основной и двух подпрограмм вычисления значений подантегральной функции и вычисления интегралов по методу Ведоя. Значение В(ф) на первое этапе оптта-швш определялось согласно аналитическому выражении, полученному с помощь» метода зеркальных отображений Запорожцам Ю.М., на втором-методом коночных элементов. В результате математического моделирования на ЭВМ предложены меры повыжгизя точности БТГ sa счет корекцшх выходного напряжения БТГ от импульсного 'датчика угла (. о.. с. 1029080), специального выполнения измерительных обмоток ( а. с.949502), а такш посредством ееэдэния новых элементов в МС тахогенератора (а.с. . .1105813) (рис. 6.1). 11а валу преобразователя укроплен двухполюсный постоянный магнит 4 с угловой шфлноа полюса « и датам угла поворота. На магните 4 с помощью немагнитных держателей 5 закреплены ферромагнитное экрана 6 с угловым размером (1S00/p) < .pj-. < (ISO°-oéî, Дааграгш ЭДС отдельных пар секций при постоянной угловой скорости представлены на рис. 6.2 при Р = 3. За счет экранов достигается 10-15 кратное уменьшение уровня пульсации; и появляется возможность расширения диапазона работы в области малых угловых скоростей»

Осуществлена количественная оценка погрешности расчета ЭДС цилиндрической конструкции БТГ путем сравнения трех-, и двртарпк КЭМ. Исследования зависимости е0=|.(e3-eg)/o2'|,. где е^, -&г~

максимальные значения ЭДС, найденные с учетом трех- и двукерности шля, позволил установить, что при 1/6 ^ 10-12 и достижения погрешности расчета на уровне 2-5% необходимо проведение расчетов с учетом трехмерности поля. В результате проведенного сравнительного . анализа конструкций БТГ различного типа обоснована целесообразность проектирования КС нир.коскоростсмх тахогеиера-торов в торцевом двухстаторном (ДС) исполнения, которые обестдачи-вают по сравнению с одностзторны.чи (ОС) цилиндрическими и торцевыми конструкциями БТГ более высокую крутизну и точность преобразования, обусловленные тем, что ДС-конструкцин (рис. I. Г. д) обладают более высокой однородностью поля (рис.6.3)определяющий его трвпецеидадьность. Так,величины неоднородности при трехфазной обмотке для ДС (0=4 таг) и ОС 15=4 мм) • составляют соответственно 9,С!? и 15,32,- а-'при четырехфазной обмотке - 0,35% и 1,9*2. ¡Зштаепие ЭДС на единицу объема для ДС. (6=4.оказалось в 1,3 раза шве, чем в ОС (6=4 .ад), и в 1,44 раза превышает-ЭДС в ДС (е=2 мм).

По итогам результатов численного эксперимента определены наиболее существенные параметры- магнитных систем БТГ торцевого типа '. а,б,Лт/йг и установлен интервалы -их.-оптимальности. На основе"'анализа зависимостей Е (Гч/Нг) для ряда значений а определено значение'. /Нг*0.53, обеспечивающее максимальное значение Е^. „Полученное. значение несколько отличается от известного соотношения К1/Иг= найденного. Р.СакрЬеП в предположении

отсутствия потоков рассеяния. Данные .миоговарйантных расчетов позволяют .-осуществить разработку торцевых конструкций БТГ с улучшенными, выходными .'.характеристик'аш' • на основе известных методов оптимизации.. Показано, что с помощью. метода - наименьших квадратов могут быть найдены коэффициентыполилинейного полинома, отражающего количественную связь Е^. и е с а, <5, ГЬ/Яг и по критерию максимума -Е ■ и минимума', е проведена параметрическая оптимизация БТГ. В пределах -изменения' величины весового коэффициента 0,4 < р < 0,9 'решеше оптимизационной задачи оказывается устойчивым, точка оптимума . стабилизируется в верзине- куба факторного пространства а, 5, Нг/йг.

В разделе также-рассмотрении принципы,' элементы и электрическая схема практической реализации исследуемых БТГ, обеспечива-кдах . работоспособность : при эксплуатации, приведены области использования внедреных БТГ.

'В приложениях изложена результаты ' исследований магнито-

33

0,5 Тл

КЗ «...о

4

1 % -ь • \\

Г 2-АС,<> 3-ас,д

1

Рас.б. 2.Фазные и выходная' ОДС трехфазного тахо-генератора ;; -

615 79,5 ¿¿.5 92,6 фл*

Рис.6.3,Изменение ивдукции по Я-координате и середине воздушного зазора при у ■ О

электрических манил постоянного тока с гладгаш якорем, приведены, сведения, подтверждавшие внедрение и практическое использование полученных научных результатов, рассмотрены математические модели беспазовых. ЭМ с шсококозрцитившми ПМ для исследования электромагнитных и электромехакичеасих процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продставдениув к звцлте совокупность научных положений и практических решений предлагается квалифицировать, как теоретический и практический вклад в решение проблемы ускорения проектирования, совераенствования конструкций и более широкого внедрения беспазовых ЭМ с многополвснши и ушоюлярнши индукторами на висококоэрютивних Ш, поаволяшок. рсдг.ть актуальные задачи в целом ряде приоритетных научно-технических направлений, о также являющихся важными элементами современных энергосберегащих, малоотходных и безотходных технологий.

Наиболее сущвствскшо результаты дассертецясгсюй работы можно сформулировать следуквдя образом.

1. Впервые обоснована и создано теория КЭ расчетов беспазовых .ЭМ с васококоэрцятйчаими ПН, приу?::елне которой позволяет. а рамках одияого методологического подхода, з учетом реальных физических и геометрических • особенностей" зле-ментов конструкций, обеспечить необходимую на практике точность опр. :•'.гения полой, процессов и иитегр&яьши характерист::к быстро рэзьинапвдхся. и недостаточно язучдашх ЭМ с Ш 1с-;аеса бвепааовгх.

2. В результате выявления гссбенностей конструктивного исполнения беспазовых ЭМ, специфических свойств современных ьысоко-коэрцитивных Ш впервые доказана концепция создвкия трехмерных ХЭМ исследуемого класса ЭМ, '".сходя из разультатоз моделирования двумерных полей, на основе привлечешь аппарате.; рлдез Фур:е и коэффициентов приведения двумерного поля к трехмерному.Темой подход, в .-отличие от ранее известных, позьолил с«?'«:.-«. > ся/.знт» затрата основных 'мшт-гш- р-зеуреоз, уяг^сгять <% !"•»<счета и гармонического .'.анализа интегральных характеристик, сократить объем.'входной'повысить кагллдаость-еиходйой лв^орисцаи.

; ' 3. Сформулгрованы реко^екдашг:- по практическому испод; кования разработанных теоретически*: лодеодша о укэиьаения Ьре«?ня' аиэжвза,' упротерля."расчета и сохрани®«- в -зодадапис пределах' дсстоьсрроота модвлироз^гя сзспвисекх У$ с ш. 11а

•'38 '

основе* проведанных исследований обоснована правомерность проведения росчетов ЭМ с Ш5 по всем гармошкам на неизменной сетке КЭ, а также нахождения коэффициентов приведения по первой гармонике. На. базе теорема Парсеваля получены обобщающие выражения, позволяющие на этапе подготовки исходах данных определять минимальное количество учитываемых гармоник, обеспечивающих требуемую точность определения характеристик ЭМ. В совокупности с концепцией создания трехмерных КЭМ баслазовых ЗМ с ПМ использование рекомендаций обеспечивает реализацию расчетных алгоритмов ЭМ с учетом трехмерности на ЭВМ среднего класса, а также .персональных.

Д. На базе 11КЭ, аппарата рядов фурье, теоремы Стокса в работе получены расчетные формулы и рассмотрены два пути расчета потохосцепления беспазовых магнитоэлектрических машин: Поступательного и вращательного движения с учетом трехмерности поля ' за счет поэлементного и послойного суммирования потокосцепленкй,. которые дают возмоиюсть выполнения аналитического дифференцирования по координате перемещения ротора, что позволяет облегчить нахождение выходных характеристик . ЭМ. На основе представления М , ■ Рэ в виде 'квадратичной', форма векторов.'токов .обмоток ЭМ выведены обобщенные расчетные формулы для нахождения Мэм, Рэы исходя из анализа магнитного поля, проанализированы составляющие №эм, ?эы, характерные для ЭМ с ПМ. Получены .дифференциальные уравнения электромеханического преобразования . энергии ■ для рассматриваемого класса ЭМ.

5. Разработан комплекс алгоритмов и программ при приемлемых вычислительных и временных-затратах,, реализующий тоорпЗ конечно-элементшх расчетов боспазовых ЭМ с ПМ. при .учете трехмерности поля. Применение комплекса позволяет повысить достоверность результатов математического моделирования, сократить сроки проектирования, уменьшить материальные затраты при создании новых ЗМ.

6. Разработаны алгоримы формирования МС и оптимизации конструкций беспазовых ЭМ с ПМ. На основе выполненных исследований продлокеш оригинальные -конструктивные.', решения, ..нрвизна которых защищена авторскими свидетельствами, а их 'эффективность подтворадена положительным опытом -эксплуатации.■

7. Проведон анализ воздействия направления 'намагниченности 'мшгатой-эдулей ' и составных магнитовиндукторов ЭМ,. а также тепа МС на величину магнитного. потока и характер изменения ¡идукцж в .рабочих' '<х1т емах' 'Изучены .особенности распределения:

"'36

полей и характеристики беспазовнх ЭМ общепромышленного и специального назначения с многополюсники и униполярными индукторами на высококоэрцитивных ПМ, позволившие сформулировать рекомендации проектирования и совершенствования их конструкций определить рациональные области их использования в зависимости от .условий применения. Достоверность теоретических положений подтверждена, а выработанные рекомендации реализованы на конкретных примерах создания и внедрения беспазовнх ЭМ различного конструктивного исполнения и принципа действия с улучшенными техническими показателям!: прецизионных низкоскоростных тахогенераторов (0,01 - 10,0 рад/о) обзорно-поисковых систем, лакойяих двигателей автономных объектов, ДПТ. общепромышленного назначения типа СКИТ (0,7-1,3 кВт), отрезков серий бесконтактных ЭМ электропрл -вода ориентации космических аппаратоз.

Апробация, использование а внедрение результатов исследований осуществлены в II организациях, э том числе в ОмИУ и ОГЯМТ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. 'Конечноэлементная модель магнитных систем многололюсных дисковых устройств электромеханики с постоянными магнитами/ В.Н. Горюнов, В.Н. Козлов, Л.Е. Серкова, В.Э. Тиль// Электро-'тёхника.- 1992.- Л 12.- С.54-58.

2. Ковалев Ю.З., Горюнов В.Н., Ходько Д.Г. Расчет трехмерных . полей в электрических машинах с редкоземельными магнитам!//

Электричество,- 1991.- N5.- С.15-19.

3.' -Конечноэлементные ' модели магнитных систем многополюсных и униполярных беспазовых устройств электромеханотроники- с внсо -кокоэрцитивными магнитами/- Горюнов В.Н., Козлов В.Н., Корни лович С.П. и др:// Тез. докл. II Всесоюз. науч.- техн. конф. ло электромеханотронике.- Л., 1991.- С.72-74..

4. Метод конечных элементов, в задачах моделирования шлей в системах мяогоползсных магнитоэлектрических машин с радиальным и -торцевым возбуждением/ Горюнов.В.Н., Овсянникова Н.И., Серкова Д.Е., Тищенко О.Л.- Омск, 1339.- 26 е.-Дел. в Информзлектро

• -. 22.12.89, N252 - ЭТ..

5. Гсрюнов В.Н. Анализ магнитных полей в устройствах с постоянными магнитам на основе метода конечных элементов// Проблемы

нелинейной электротехники: Tes. докл* Всесоюз. науч.—техн. конф.- Киев, 1984.- Ч.2.- С .171-172.

6. Горюнов В.Н., Серкова JI.E., Козлов В.Н. Расчет интегральных характеристик радиальных электрических машин с постоянными магнитами и гладким ротором// Алгоритмы и программы: Информ. бюл,- IS9I.- й I.- с.15.

7. Горюнов В.Н. Вариационная формулировка задачи расчета и чис-

• ленный анализ магнитных полей в устройствах с постоянными

магнитами// Тез. докл. IV Всесоюз. межвуз. конф.по электромагнитным методам . контроля качества материалов и изделий.-Омск. 1983.- Ч.З.- С.53-55.

8. Горюнов В.К. Цифровое моделирование на основе учета распределения магнитного поля в зазоре преобразователя с'постоянными магнитами// Магнитные и электрические измерения: Межвуз. темат. сб. - C.v,ck, 1983.-'С.63-66. '

9. Исследование статических и динамических-, свойств, систем стабилизации угловой скорости / В.Н.Зэжирко, В.Н.Горюнов, Н.Н.Гук

и др.- Омск, 1979. -50' с. -Дэп. в ЩШТЭЯ МПС 21.01.80, N1044.

10.Горюнов В.Н., Ходько Д.Г. Моделирование высококоэрцитивных постоянных магнитов . слоаной формы в задачах расчета шля методом конечных элементов//'Расчет и..оптимизация параметров электромагнитных устройств и систем управления электроприводом: Межвуз. темат. сб:- -0мск, ' ' 1985.- 0.66-71.

11.Ходько Д.Г., Горюнов В.Н., Хегай И.П. Расчет трехмерного магнитного поля, периодического по пространственной координате в электрических машинах с высококоэрцитившми магнитами.- Омск, ОмПМ, 1986. -10' с.-Деп. в Мнформэлектро 27.04.87, N766-3T.

12.Горюнов В.Н., Мечкало A.M., Ходько Д.Г. Особенности практической реализации алгоритма расчета поля, периодического по пространственной координате-в электрических машинах с выеоко-коэрцитим-шми магнитами/Динамика электрических машин: Межвуз. темат. сб. - Омск", ~ " 1987.- С.139- 143.

13.Горюнов В.Н., Калашник А.Н., Ходько Д.Г. Бесконтактный магнитоэлектрический преобразователь угловой скорости в системах

. низкоскоростного электропривода// Тез. докл.I Всесоюз. науч.— техн. конф. по олектромеханотронике,- JI., 1987.- С.246-247..

14.Ходько Д.Г, Горюнов В.Н. Особенности численного алгоритма рес-. чета трехмерных магнитных нолей, периодических по пространственной координате .в системах с • высококоэрцитивншш дастоян-

38

ными магнмтами/ОкПИ. - Омск, 1987.- 7 с.-Деи. в Информэлектро 14.03.88, N85-3'i'. [5.Численный расчет трехмерного магнитного поля постоянных магнитов в электрических машинах с гладким ротором/ Горюнов В.К., Иванов B.C.. Кочетков В.П. и др.// Динамика электрических машин: Мекзуз. темат. сб.- Омск, 1986.- с.'ЭЗ-98.

[б.Горюнов В.Н., Гузвчоз Л.Л., Ходько Д.Г. Бесконтактные тахоге-нзраторы с электронными коммутаторам;! фазных обмоток для исследования динамики- электрических машин// Динамические режимы' работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл. Всесоюз. науч.—техн. конф.- Каунас, 1983.- С.149. [7.Математическое моделирование - магнитных систем и параметров электромоханогронных преобразователей с высококозрцитившми магнитами/ Горвнов В.Н., Овсянникова H.H., Ншситенко Л.О. и др.// Тез. докл. Зсеооюз. науч.- тохп. сам. по электромехано-тронике'.- Л., 1989,- C.6I-R3-[З.Серкова Л.Е., Горюнов В.Н., Тиль В.Э. Матекзтичоское моделирование магнитных систем многопашосных электрических мавия с Еысококоэрщшшными магнита;/:*// Методы и средства диагностирования технических средств юяэанодороккого транспорта: Тез. докл. йсосоюз. науч.-'техн. конф.- 0;.ск, 1989.- С.126, 19.Горюнов В.Н., Серкова Л.Е., Тиль В.Э. Расчет двумерных и трехмерных полей кгогополюеш/х электрических о вксоко-

козрнитивиыми магнитегз! мг> -'одом конечных элементов// Современное состояние, проблемы а -переггакжгш . 8Н"ргетякя и технологии в энергостроешш: -ез. .ч.г.з,- Всесоаз. науч.-тохн.. конф.- Иваново, .1989. С,ICS. гО.Модэлщюваше. трехмерных мзпштшлс • полей . f mho голо лвоны;: электрических машинах с шеококоэрцитингаш постоянными магнитами/ Тиль В.Э., Гсркнов В.Н.. Ники-, енхо я др.//

Задачи динамики электрических мэак: "аквуз. темат. сб.- Смак, 1939.- 0.14-18.

21 .Расчет магнитных систем 'злектромеушотрпнша г.^зеор-гзовательй с ве^укдением от постоянных' мапшгов/ Горюнов В.IL, Таль В.Э., Овсянникова H.H. и Др.// Динамические задачи электро-мехыкьа: Межзуз. темат.' cö;- Омск, IS90,- С.30-35.

22.Анализ трехглерных. гшоЯ ''дсскогах;магнитозлзктгккзекчх машин/ Горюнов Б.Н., Ко-? лов B.II., Кп^тейко л Л. ж др.//. Тез. докл. II Всесоь-з. -науч.-тех». конф..: во' элек-гоомехапотронико.- Л., . I9SI. -C. 74-7G. ос

23.Серкова Л.Е., Горюнов В.Н., Козлов В.'Н. Синтез магнитных систем электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов / Омск. ::н-т я.-д. трааоп. - Омск, 2992.- 12 с. - Деп.

В Ккфркэлектро 19.03.92, .Ш эт.

24.Повышенно точности расчета двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов/ Л.Е. Серкова, O.A., Ткщонко, В.В. Горюнов, В.Н. Козлов; - Омск. :ш-т ина. я.-д.

трансп. -Омск,. ,1992.- 33 с .-Деп. в Информэлектро 10.04.92, №9 эт.

25.Горюнов В.Н., Козлов В.Н., Серкова Л.Е. Автоматизация численных расчетов магнитных систем и интегральных характеристик безгшзовых электрических машин. с высококоэрцитивными магнитами/'/' Электромеханические преобразователи и машиновентильше

. систсш: Тез. докл. Респ. науч.-техн. кой. - Томск, . 1991. ~ С. 19.

26.Горюнов В.Н., Закирко В.Н. Применение метода конечных элементов к расчету на ЭВМ полей в системах с 'высококоэрцитивными магнитами// Электромагнитные процеосы в электрических машинах и аппаратах: Меа&уз. томат, сб.- Омск, 1983.- С.135-138.

27.Выбор рационального направления намагниченности постоянных магнитов-модулей и составных магнитов в устройствах электро-' механики/ В.Н.Горюнов, Л.Е.Серкова, В.Э.Тиль, О.А.Тшценко // Электротехника.- 1993,- Je I.- С.65-70. •

28.А.с. 949502 СССР, MKU3G0IP3/4S. Датчик частоты вращения/ В.Н. Горюнов, В.В.Сухинин, В.В.Жильцов, В.Ф.Беляев (СССР),. - 4 с.

29.А.с. 1029000 СССР, МКМ3 G0IP3/46 Преобразователь угловой скорости/ A.B. Бубнов, В.Н. Горюнов,(СССР),-4 с. * '

30.А.с. 1105813 СССР, МКИ3 G0IP3/46 . Преобразователь угловой скорости/ В.Н. Горюнов, А.Ф. Греков, В.Н. Закирко,. Б.М. ймановский (СССР).-4 с.

Эх.Горюнов В.Н., Серкова Л.Е. Формирование магнитных систем прецизионных тахогенераторов с электронными коммутаторами обмоток // Датчики электрических и неэлектрических величин: Тез. докл. I Междунар. конф.- Барнаул, 1993.- С.91- 92. .