автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Программный комплекс для исследования процессов коммутации коллекторных электрических машин малой мощности

005010404

На правах рукописи

Клыжко Евгений Николаевич

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН МАЛОЙ

МОЩНОСТИ

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2011

005010404

Работа выполнена на кафедре Электропривода и электрооборудования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Качин С.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Обрусник В.П.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Богданов A.A.

Ведущая организация: ОАО «СКБ СИБЭЛЕКТРОМОТОР»

Защита диссертации состоится « 29 » декабря 2011 года в 15.00 часа на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» в ауд. 217 8-го учебного корпуса по адресу: 634034, г. Томск, ул. Усова, 7. ’

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИ ТПУ «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», по адресу: 634034, ул. Белинского, 55 или на сайте: www.Iib.tpu.ru Автореферат разослан «25~» ноября 2011 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.т.н., доцент

Ю. Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Коллекторные электродвигатели являются широкорегулируемыми электрическими машинами и используются там, где необходимы большая перегрузочная способность, регулирование в широких пределах частоты вращения, малая масса и габариты. Поскольку в исследуемом классе универсальных коллекторных электрических машин (КЭМ) отказ коллекторно-щеточного узла (КЩУ) ввиду износа его элементов составляет до 48% от общего числа отказов данного типа машин, то основным техническим ограничением совершенствования этих двигателей остаётся проблема снижения коммутационной напряжённости.

Расчет и конструирование коммутационных элементов машин продолжают содержать эмпирическую основу, так как классическая теория не может дать строго обоснованный и практически приемлемый метод расчёта коммутации для случаев, когда щётки перекрывают несколько коллекторных пластин, в условиях возросших величин реактивных ЭДС, скорости вращения коллектора и температуры КЩУ.

По проблеме коммутационной напряжённости КЭМ выполнено множество экспериментальных и теоретических исследований. Большой вклад в изучение данной проблемы внесен рядом таких исследователей, как: B.C. Хвостов, В.Д. Авилов, A.C. Курбасов, Р.Ф. Бекишев, Л.Я. Зиннер, С.И. Качин, И.В. Плохов, А.И. Скороспешкин, И.И. Туктаев, В.В. Харламов, и многими другими.

В последнее время основное внимание уделяется исследованиям механической природы коммутационной напряжённости, оставляя в стороне электромагнитную составляющую, которая оказывает существенное влияние на процесс коммутации. Обычно при расчёте электромагнитных параметров коммутируемых секций принимаются следующие допущения: значения собственной и взаимной индуктивностей считаются постоянными, а при расчёте ЭДС используется фиксированная кривая распределения магнитного поля в воздушном зазоре КЭМ. Однако нелинейность магнитной системы, геометрия зубцовой зоны и неравномерное распределение плотности тока по пазам якоря оказывают существенное влияние на картину магнитного поля КЭМ и, как следствие, на мгновенные значения электромагнитных параметров. Таким образом, указанные допущения не применимы по отношению к высоконагруженным коллекторным электрическим машинам малой мощности в силу их устройства и условий работы.

Разработка новых конструкций КЭМ, применение индукторов с анизотропией магнитных свойств, разработка новых типов обмоток якоря ставят задачу более адекватной оценки электромагнитных факторов, влияющих на протекание процесса коммутации. В то же время в связи с ростом требований к уровню коммутационной напряженности предприятия-изготовители нуждаются в программных продуктах, позволяющих на стадии проектирования осуществлять отработку кон-

струкций основных элементов машин с применением вычислительных экспериментов для улучшения основных технических показателей изделий.

Таким образом, необходимо создание и реализация в программном комплексе адекватной расчётной модели коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах постоянного и переменного тока, в максимальной степени учитывающей влияние на процесс коммутации основных факторов электромагнитной и механической природы.

Объектом исследования являются коллекторные электрические машины постоянного и переменного тока малой мощности.

Предметом исследования является методическое и алгоритмическое обеспечение для исследования коммутационных процессов КЭМ.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса работы щёток КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока путём выбора их конструктивных параметров на основе моделирования коммутационных процессов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать архитектуру программного комплекса, решающего задачи расчёта коммутации секций якоря и оценки коммутационной напряжённости КЭМ малой мощности на основе наиболее полного учёта факторов механической и электромагнитной природы;

- создать программный модуль для расчёта магнитных полей КЭМ постоянного и переменного тока с разной степенью анизотропии магнитных свойств индуктора;

- создать программный модуль для расчёта механики КЩУ и контактных сопротивлений между щёткой и коллекторными пластинами;

- создать программный модуль для расчёта электромагнитных параметров, коммутируемых секций якоря, позволяющий учитывать различные типы обмотки якоря при работе машины на постоянном и переменном токе;

- разработать программный модуль для поиска оптимальных параметров конструкций элементов КЭМ, в том числе якорных обмоток, в целях уменьшения коммутационной напряжённости;

- разработать программный модуль для прогнозирования ресурса щёток КЭМ с учётом механического состояния скользящего контакта в процессе коммутации и уточнённых электромагнитных параметров коммутируемых секций.

Основные методы научных исследований. Теоретические исследования процесса коммутации электрических машин проводились с применением методов математического моделирования, дифференциального и интегрального исчислений. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программы Matlab. Разработка оригинального программного продукта осуществлялась в среде Visual Studio 2010 на языке программирования C# с применением технологий модульного программирования, распределённого и параллельного вычислений. Для проверки корректности алгоритмов и программ использовались данные экспериментов, а также результаты расчетов на ос-

нове коммерческих программ ЕЬСиТ и Ма11аЬ. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках и реальных коллекторных электрических машинах малой мощности.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная система взаимосвязанных алгоритмов для расчетной оценки и прогнозирования коммутационной напряженности КЭМ и расчёта ресурса щеток электрических машин малой мощности постоянного и переменного тока с нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря с учетом электрофизических и механических свойств коллекторнощеточного узла, мгновенных значений собственных и взаимных индуктивностей секций паза якоря.

2. Предложены алгоритмы расчета магнитного поля электрических машин постоянного и переменного тока методом конечных элементов (МКЭ) с введением процедуры уточнения конечного решения, а также вычислений величин индуктивностей и взаимных индуктивностей коммутируемых секций в процессе вращения якоря на основе величин энергии создаваемого ими магнитного поля, в том числе для нетрадиционных конструкций индуктора и обмотки якоря.

3. Выявлены основные закономерности влияния степени насыщения магнито-провода, анизотропии магнитных свойств индуктора и типа обмотки якоря на распределение магнитного поля электрической машины и мгновенные значения ЭДС, собственных и взаимных индуктивностей коммутируемых секций.

4. Исследованы для различных конструкций индуктора и обмотки якоря явления колебания положения физической нейтрали магнитного поля электрической машины вследствие зубчатости якоря, влияющие на величины коммутирующих ЭДС, индуктивностей и взаимных индуктивностей секций якоря. Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный многофункциональный программный комплекс позволяет м осуществлять расчётную оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс, что обеспечивает сокращение времени и затрат на проектирование КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока.

2. Созданный программный комплекс является инструментом научных исследований, и используется для математического моделирования коммутационных процессов и явлений изнашивания щеток КЭМ постоянного и переменного тока с традиционными и нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря, а также для синтеза КЭМ с оптимальными параметрами коллекторно-щеточного узла, геометрии магнитной системы и архитектуры демпфированных обмоток якоря.

3. На основании виртуальных исследований коммутационных процессов электрических машин малой мощности выработаны рекомендации по выбору конструкций анизотропных индукторов и демпфированных обмоток якоря с улучшенными функциональными свойствами.

4. Предложенные технические решения индуктора с анизотропными магнитными свойствами и демпфированных обмоток якоря обеспечивают снижение энергии искрения под щеткой на порядок и более и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе КЭМ на постоянном токе, и в 4 раза при работе на переменном токе в сравнении с традиционными конструкциями.

Реализация результатов работы. Разработанная с участием автора модель изменения токов секций при коммутации и энергий коммутационного искрения, а также созданный на её основе вариант методики расчёта ресурса щёток КЭМ были переданы для использования компании «LG Electronics Inc.». Разработанный в диссертационной работе программный комплекс используется в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении.

На защиту выносится:

1. Многофункциональный программный комплекс для расчёта коммутационных параметров параметров КЭМ постоянного и переменного тока малой мощности, позволяющий осуществлять оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Методика и программа расчёта магнитного поля КЭМ при работе на постоянном и переменном токе.

3. Методика и программа расчёта ЭДС коммутируемых секций якоря с учётом трансформаторной ЭДС.

4. Алгоритм и программа расчёта собственных и взаимных индуктивностей коммутируемых секций якоря на основе энергии магнитного поля.

5. Алгоритм и программа оптимизации обмоточных параметров КЭМ с целью снижения их коммутационной напряжённости.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2005, 2011 гг.), «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007, 2011 гг.), «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ФГУП «НПЦ «Полюс» 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе четыре статьи в журналах по списку ВАК, один патент РФ на изобретение и три свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложения.

Общий объем работы составляет 116 страниц, содержит 57 иллюстраций, 10 таблиц, список литературы из 103 наименований, 2 приложения на 21 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе проведён критический анализ современного программного обеспечения, предназначенного для расчёта магнитного поля и электромагнитных параметров КЭМ.

Анализ существующих программных продуктов показал, что в настоящее время не существует коммерческого программного продукта, позволяющего прогнозировать коммутационную напряженность и ресурс щеток КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока, как с традиционными, так и с нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря с учетом электрофизических и механических свойств коллекторно-щеточного узла.

Обзор работ по теме диссертации показал, что наиболее перспективным направлением является разработка программного продукта для расчёта процесса коммутации универсальных коллекторных двигателей, который должен обеспечивать:

1. Расчёт электромагнитных параметров коммутируемых секций якоря (собственные и взаимные индуктивности, ЭДС). В расчётах должны быть учтены различные конструкции индуктора и обмоток якоря и нелинейность магнитных свойств материалов.

2. Расчёт скользящего контакта с учётом электрофизических и механических свойств КЩУ.

3. Расчёт коммутационной напряжённости и жизненного цикла щёток КЭМ.

4. Возможность поиска оптимальных параметров основных элементов КЭМ в целях снижения коммутационной напряжённости.

Для достижения указанных целей предложена структура единого программного комплекса (рис. 1), реализация которого потребовала как доработки алгоритмов ранее разработанных, с участием автора, модулей (1, 2, 6, 7, 8), так и разработки в полном объёме новых модулей (3, 4, 5, 9). Кроме того, потребовалось обеспечить согласованное взаимодействие всех модулей комплекса путём создания соответствующей программной структуры верхнего уровня.

Таким образом, были определены задачи по разработке методик и алгоритмов расчёта электромагнитных параметров коммутируемых секций, а также по взаимной увязке всех новых и разработанных ранее алгоритмов в одном программном комплексе, предназначенном для проведения расчёта процесса коммутации, оценки коммутационной напряжённости КЭМ и ресурса работы щёток.

____________г

Модуль 3 Расчёт магнитного поля ЭМ при работе на постоянном и переменном токе с различными конструкциями индуктора и обмотки якоря

Модуль 4.

Расчёт ЭДС секций якоря

I_____________

Модуль 5,

Расчёт индуктивностей и взаимных индуктивностей секций паза якоря

Модуль 1 Расчёт механического состояния скользящего контакта с учётом электрофизических свойств контактных материалов, в частности жёсткости контактного слоя и профиля коллектора

Модуль 2 Расчёт контактных сопротивлений

Модуль 6 Расчёт коммутации

Модуль 7 Расчёт коммутационной напряжённости

Модуль 8 Модуль 9

Расчёт износа щёток на Определение оптимальных параметров

протяжении жизненного цикла обмотки якоря и сдвига шёток с

ЭМ геометрической нейтрали для различной

геометрии индуктора

Рис. 1. Структура единого программного комплекса расчёта коммутационных параметров КЭМ Во второй главе рассматривается методика и алгоритм расчёта магнитного поля КЭМ постоянного и переменного тока методом конечных элементов (МКЭ).

Полагая распределение магнитного поля вдоль пакета якоря постоянным, расчёт ведётся в поперечном сечении КЭМ с учётом нелинейности магнитной системы, а также реальной геометрии и распределения источников тока.

ПК-58-1 стандартный индуктор (без анизотропии мси)

ПК-58-3 индуктор с мостиком насыщения (средняя анизотропия мси)

индуктор с немагнитным зазором (максимальная анизотропия мси)

Рис. 2. Варианты исследуемых КЭМ с индукторами с различной анизотропией магнитных свойств (размеры по осям координат указаны в метрах).

В качестве примера для расчёта и анализа распределения магнитного поля выбран двигатель ПК-58 с тремя вариантами индуктора с различной степенью

анизотропии магнитных свойств индуктора (мси): ПК-58-1, ПК-58-2, ПК-58-3 (рис. 2). В расчётах использовались два типа якорной обмотки: серийная и демпфированная. Рассматриваемая демпфированная обмотка в общем случае состоит из секций, каждая из которых представляет собой две или три катушки, смещённые по пазам якоря относительно друг друга.

Моделирование нелинейности материалов статора и якоря КЭМ обеспечивается заданием основной кривой магнитной проницаемости с учётом шихтовки пакета якоря и статора.

Для решения проблемы сходимости системы нелинейных алгебраических уравнений, получаемой в рамках МКЭ, разработан алгоритм, комбинирующий нелинейную и линейную модели расчёта РОЕ Ма11аЬ.

Адекватность работы разработанного алгоритма проверялась сравнением с расчётами, проводимыми в системе ЕЬСиТ. Отклонение в расчётах не превысили 5% при работе в условиях сильного насыщения магнитной системы, когда погрешность решения является максимальной.

Конечной целью расчётов магнитного поля является получение трёхмерного массива значений распределения магнитной индукции в поперечном сечении КЭМ, которое описывается как: В = f(a,i¡l,r), где а - геометрический угол поворота якоря, ¡а - изменение тока параллельной ветви, г - угол по расточке якоря от О до 2к. Из данной поверхности, например, можно вычислить распределение магнитной индукции в зазоре КЭМ Вв1 = /(«,/„,г) для дальнейшего расчёта ЭДС коммутируемых секций.

Рис. 3. Распределение индукции в воздушном зазоре Рис. 4. Зависимость сдвига физической на полюсном делении КЭМ при поминальном зна- нейтрали от угла поворота якоря чении тока параллельной ветви = /(от, г)

Результаты расчётов Вп = /(а,1а,г), проведённых при номинальном токе параллельной ветви (рис. 3) показали, что средние значения магнитной индукции отличаются от значений, полученных аналитическим путём по традиционной методике для исследуемого типа КЭМ на 9-12% в зависимости от угла поворота якоря.

Следует заметить, что расчёт поверхности В = /(а, ¡а, г) занимает продолжительное время. Для сокращения времени проводимых расчётов в программном

комплексе реализована технология распределённых вычислений, что позволило ускорить расчёт в несколько раз.

Результаты расчётов магнитного поля показали, что зубчатость якоря оказывает существенное влияние на положение физической нейтрали, вследствие чего наблюдаются её колебания, амплитуда которых достигает для исследуемого двигателя 16 при насыщении магнитной системы (рис. 4). Выявлено, что значения колебаний физической нейтрали зависят от анизотропии индуктора и типа обмотки якоря. Поскольку во время коммутации в области физической нейтрали находится как минимум один из пазов, в котором лежат витки катушки коммутируемой секции, то подобные колебания положения физической нейтрали оказывают существенное влияние на мгновенные значения ЭДС этой секции.

В результате исследований установлено, что влияние анизотропии магнитных свойств индуктора на распределение магнитного поля существенно зависит как от степени насыщения магнитопровода, зубчатости якоря, сдвига щёток с геометрической нейтрали, так и от типа якорной обмотки. Поскольку ЭДС и индуктивность коммутируемых секций, в свою очередь, зависят от распределения магнитного поля, то целесообразность применения той или иной конструкции индуктора следует рассматривать с точки зрения обеспечения оптимальных величин электромагнитных параметров коммутируемых контуров, позволяющих достигать минимального износа щёток.

Таким образом, разработанный подход к расчёту магнитного поля электрических машин постоянного и переменного тока является достаточно гибким и удобным инструментом, позволяющим с погрешностью в 9-12% получать распределение индукции магнитного поля по расточке якоря в зависимости от положения якоря и тока параллельной ветви для дальнейшего моделирования процесса коммутации КЭМ при различных конструкциях индуктора и обмоток якоря.

В третьей главе рассматриваются методики расчета ЭДС, а также собственной и взаимной индуктивностей коммутируемых секций обмоток якоря различной конструкции при работе КЭМ на постоянном и переменном токе.

Расчёт ЭДС, возникающей в коммутируемых секциях, производится на основе поверхности распределения индукции в воздушном зазоре электрической машины Вп = /{и,1а,г). В этом случае ЭДС, наводимая в отдельной катушке секции паза якоря, представляет собой суммарную ЭДС:

с]Ф,

ек=®к-^ = е„Р+еп,рЛ 1)

где Ф5 - результирующий магнитный поток поля главных полюсов и поперечной реакции якоря, сцепленный с катушкой секции; е - ЭДС вращения; етР ‘ трансформаторная ЭДС; сок - число витков катушки секции.

На рис. 5 приведены кривые значений ЭДС секций паза якоря, рассчитанные при работе машины на постоянном токе номинального значения и переменном токе в нулевой начальный момент времени (с фазы переменного тока, равной 0). Анализ результатов расчёта ЭДС показал, что вклад етр существенно

зависит от угла сдвига щёток, типа обмотки якоря и степени насыщения магнитной системы машины. Так, из результатов расчётов сле-

, „ „ дует, что в области слабого насыщения маг-

Рис. 5. ЭДС секции паза сериинои ’ -

обмотки якоря (цифрами 1 и 2 обо- нитнои системы вклад величины суммарной

зиачены области коммутации 1 и 2 ЭДС в зоне коммутации на переменном токе

секции паза) может в несколько раз превышать ЭДС враще-

ния. В то же время при работе машины в области насыщения суммарная ЭДС отличается от ЭДС вращения не более, чем на 10%.

Особый интерес представляет расчёт собственных и взаимных индуктивностей секций якоря КЭМ в процессе коммутации, который предлагается проводить через величину энергии магнитного поля, согласно выражению:

21У

где собственная энергия магнитного поля секции /;.

Собственная энергия магнитного поля секции рассчитывается на основании данных триангуляции расчётной области и распределения магнитного поля в поперечном сечении электрической машины:

(3)

ГГ 2/1*

где Ва1 - магнитная индукция, обусловленная работой секции в /-м треугольном элементе; /.1а1 - абсолютная магнитная проницаемость среды секции в /-м треугольном элементе; 5, - площадь /-го треугольного элемента.

Соответственно, взаимная индуктивность двух секций якоря рассчитывается, исходя из выражения для энергии двух контуров с током по формуле:

1112

где IVх ,1Г2 - собственные энергии секций якоря; IV,, - взаимная энергия обеих секций якоря; /, ,/2 - токи, протекающие в секциях.

Таким образом, для расчёта собственной индуктивности секции якоря необходимо определить распределение магнитного поля, создаваемого этой секцией.

Аналогично для расчёта взаимной индуктивности двух секций якоря необходимо определить распределение магнитного поля, создаваемого как каждой, так и обеими секциями.

Было выявлено, что магнитный поток, создаваемый током одной или двух секций якоря мал относительно общего магнитного потока, и отключение даже двух секций, как правило, не приводит к существенному изменению нелинейности магнитной системы (среднее значение магнитной проницаемости остаётся неизменным). Учитывая вышесказанное, предлагается методика расчёта индуктивностей, позволяющая в наибольшей степени учесть нелинейность магнитной системы КЭМ:

1. Рассчитывается распределение магнитной индукции Вп, обусловленное работой всех обмоток КЭМ.

2. Искусственно отключается одна или две секции, и ещё раз считается распределение индукции В,.

3. Разница между этими двумя индукциями магнитного поля В = Ва - Д, принимается за индукцию магнитного поля, обусловленную работой одной или двух секций.

4. По формуле (3) рассчитывается соответствующая энергия, и получаем собственную индуктивность по формуле (2). Аналогично, рассчитав необходимые энергии магнитного поля, получаем взаимную индуктивность по формуле

В конечном итоге рассчитываются поверхности изменения собственных и взаимных индуктивностей секций паза как функции от угла поворота якоря и тока параллельной ветви: I = /(а,^) и

м = /(<*,(,)•

В качестве примера на рис. 6 представлены графики изменения индуктивностей секций разных пазов якоря при номинальном токе параллельной ветви. Поскольку время совместной коммутации секций мало по сравнению со временем коммутации отдельной секции, то в дальнейшем большее внимание уделяется анализу изменений собственных индуктивностей. В качестве факторов, характеризующих коммутационные процессы, удобно использовать не мгновенные значения их электромагнитных параметров, а их средние значения за период коммутации: е = /(/ ),

кР = /('„) и Мсг = /(#.).

С.Чч'Ч-ткснная нилуктшкчть 2 сскимн прелмдункгу па««] •••••СоОтенняя нмдуктнкжчль I ссяиш [

~ —Взаимна» »шлушмшот

Рис. 6. Собственные (£ = /(а)) и взаимная (М = /(а)) индуктивности секций разных пазов якоря (серийная обмотка якоря, цифрами 1,2 обозначена область их совместной коммутации)

Выявлено, что величина влияния анизотропии магнитных свойств индуктора якоря на ЭДС секций паза существенно зависит от угла сдвига щёток с ГН и степени насыщения магнитной системы (рис. 7). В случае сдвига щёток против вращения якоря анизотропия магнитных свойств индуктора приводит к выравниванию средних значений ЭДС коммутируемых секций паза якоря, что должно положительно сказаться на коммутационных свойствах машины.

Кроме того проведённые исследования показали, что анизотропия магнитных свойств индуктора при прочих равных условиях приводит к уменьшению мгновенных значений индуктивностей в зоне коммутации секций паза до 10%.

Рис. 7. Е1р = /(і0) второй секции паза при различном типе индуктора (серийная обмотка якоря)

Анализ результатов расчёта показал, что применение демпфированной обмотки оказывает существенное влияние на ЭДС секций паза (рис.8) и приводит к выравниванию средних значений ЭДС секций паза якоря, что положительно сказывается на процессе протекания коммутации. Степень оказываемого влияния существенно зависит от угла сдвига щёток с ГН и степени насыщения магнитной си-

иервая секция паза вторая секция паза

Рис. 8. Еср = /(;„) (сдвиг щёток с ГН равен 0°

Как показал проведённый анализ результатов расчётов, применение демпфированной обмотки якоря оказывает значительное влияние и на индуктивности

коммутируемых секций, приводя к их численному уменьшению. Анализ расчётных кривых (рис. 9а) показывает, что с увеличением тока параллельной ветви средние значения собственных и взаимных индуктивностей секций уменьшаются и нивелируется различие между значениями собственных и взаимных индуктивностей для различных типов обмотки якоря. Также следует заметить, что различия в значениях индуктивностей существенно зависят от угла поворота якоря КЭМ (рис. 96).

Ток Па(ШЛЛС;1Ы{0(1 истин, А

б)

Рис. 9. Собственная индуктивность первой секции паза (сдвиг щёток с ГН равен 0°): а) = /0„) при работе КЭМ на переменном токе, б) мгновенные значения собственных

индуктивностей при работе КЭМ на постоянном токе в номинальном режиме

Таким образом, в результате проведённых виртуальных исследований установлено, что нелинейность магнитной системы, анизотропия индуктора, тип обмотки якоря и угол сдвига щёток с ГН оказывают существенное влияние на мгновенные значения ЭДС коммутируемых секций, собственных и взаимных индуктивностей. Расчёты показали, что собственная и взаимная индуктивность секций якоря может изменяться до 50% за время коммутации и более чем в 10 раз при изменении значений переменного тока от минимума до максимума.

Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что предложенные методики позволяют уточнить расчёт электромагнитных параметров коммутируемых секций

и, соответственно, процесса коммутации.

В четвёртой главе описывается методика поиска оптимальных параметров КЭМ, осуществляется численное моделирование коммутационных процессов на протяжении жизненного цикла машины при работе на постоянном и переменном токе и определение ресурса работы щёток.

Автором предложены методики поиска оптимальных параметров КЭМ (угла сдвига щёток с ГН и обмоточных данных якоря) для уменьшения коммутационной напряжённости. Коммутационная напряжённость оценивается на основании значений энергий искрения секций якоря на завершающем этапе коммутации, которые рассчитываются при помощи апробированной методики.

Анализ результатов расчётов мгновенных значений электромагнитных параметров коммутируемых секций паза при работе КЭМ на переменном токе показал, что изменения их мгновенных значений за положительный полупериод изменения тока параллельной ветви по модулю совпадают со значениями за отрица-

тельный полу период (рис. 10). Следовательно, для анализа коммутации в установившемся режиме работы КЭМ достаточно использовать промежуток времени из-

менения тока за половину периода его изменения.

¡/¡а=С(1Як)

к а к

Рис. 10. Мгновенные значения ЭДС и тока секций паза якоря на периоде изменения тока параллельной ветви; серийная обмотка якоря

Таким образом, в качестве конечной оценки коммутационном напряжённости КЭМ используются суммарные значения энергий искрения секций якоря:

- при работе машины на постоянном токе: 1Усум = |и’()1| +здесь 11,| и |К'г2|

- абсолютные значения энергий первой и второй секций паза;

- при работе машины на переменном токе: 1Усуч = ¡Уиул1 + 1У2с>,и, здесь IУиуи и

1Р - суммы абсолютных значений энергий секций паза за половину периода изменения тока параллельной ветви КЭМ.

В конечном итоге необходимо осуществить поиск такого сочетания параметров КЭМ, при которых достигается минимум суммарной энергии искрения -тт(\\^ит). В диссертационной работе основной акцент делается на подборе параметров КЭМ, связанных с расчётом магнитной системы: значений угла сдвига щёток с ГН и обмоточных данных якоря.

В общем случае суммарная энергия выражается функцией:

Рис. 11. £ =/(а). Серийная обмотка якоря. Цифрами обозначено: 1-2 -обл. коммутации 1 и 2 секций паза при (5=0; Г-2’ - обл. коммутации 1 и 2 секций с (я=-10°

>п,„=/ИММ5)

где (р - угол сдвига щёток с ГН;

(/ = 1 ,т;/ = \,п )- матрица, описывающая обмоточные данные секций паза; здесь т -количество секций паза якоря, п -количество катушек в секции (каждое значение в строке представляет количество витков в катушке секции, каждый столбец представляет секцию паза).

Поскольку секция серийной обмотки состоит из одной катушки, то в данном случае суммарная энергия искрения является функцией только угла сдвига щёток

Рис. 12 Алгоритм поиска оптимальных параметров при работе КЭМ на постоянном и переменном токе, в блоках 2-6 происходит поиск оптимальных параметров для случая демпфированной обмотки (в блоке 5 принимается решение о прекращении поиска)

Как показали исследования, электромагнитные параметры секций паза якоря в основном зависят от магнитного потока, создаваемого током других обмоток КЭМ и угла поворота якоря. На рис. 11 приведены графики ЭДС коммутирующих секций паза при различном угле сдвига щёток с ГН, из которых следует, что в области коммутации форма ЭДС одного графика почти эквивалентна форме другого графика, но со сдвигом в 10 . Поэтому, если пренебречь изменением магнитного потока, создаваемого током секций паза якоря, то сдвиг щёток с ГН будет соответствовать сдвигу области коммутации на одном графике рис. 11. Таким образом, используя зависимость Е =/(аг), можно исследовать процесс коммутации при изменении угла сдвига щёток в пределах расчётной кривой.

Исследование магнитного поля КЭМ показало, что в случае применения демпфированной обмотки взаимное изменение числа витков в катушках секции паза в небольших пределах также не приводит к существенному изменению магнитного поля КЭМ. На основании этого разработана методика и алгоритм поиска

сГН: »;„ = /(?>)■

2

Расчёт поверхности В=/{а,1а,г)

^ ж «\vsiTllvij I (■ VI»! О

секций якоря для текущей поверхности В=/(а,1а,г)

Расчёт электромагнитных параметров коммутируемых

Поиск оптимального угла сдвига щёток для текущей поверхности В = /(а,1а,г)

8

6

Изменение нет* обмоточных данных

-да-

оптимальных параметров

оптимальных параметров обмоточных данных якоря, позволяющие подбором соотношения витков в катушках коммутирующих секций паза добиться минимума W

»' sum*

Поскольку для поиска оптимальных параметров коммутируемых секций используется текущий расчёт магнитного поля КЭМ, то это существенно ускоряет процесс поиска, учитывая длительность расчёта самой поверхности магнитного поля. Тем не менее после оценки оптимальных параметров КЭМ в соответствии предложенному алгоритму (рис. 12) производится перерасчёт поверхности В - f(a,ia,r) и соответствующий уточнённый расчёт электромагнитных параметров секций якоря.

В таблице 1 приведены результаты расчётов для серийной обмотки якоря при работе машины на постоянном токе в номинальном режиме, из которых следует, что применение индукторов с анизотропией магнитных свойств оказывает существенное уменьшение коммутационной напряжённости, что выражается в уменьшении суммарной энергии разрыва примерно в 25 раз для индуктора с немагнитной вставкой, и в 3 раза для индуктора с мостиком магнитного насыщения.

Таблица 1

тип индуктора угол сдвига щёток с ГН, град.

ПК-58-1 <р = -27” 8,29е-8

ПК-58-2 <р = -23° 3,29е-9

ПК-58-3 <р = —26° 2,89е-8

В таблице 2 приведены результаты расчётов для демпфированной обмотки при работе машины на постоянном токе в номинальном режиме, из которых следует, что при их использовании коммутационная напряжённость по сравнению с серийной обмоткой уменьшается примерно в 16 раз при использовании индуктора без анизотропии магнитных свойств и в 6-7 раз с индуктором с анизотропией магнитных свойств.

Таблица 2

тип индуктора N1 угол сдвига щёток с ГН, град. Wp| + IVр1 , Дж

ПК-58-1 '63 6 4 ,12 69, (Р = -18° 5,15е-9

ПК-58-2 '61 1Г ,14 64, 43 II 1 00 О 5,59е-10

ПК-58-3 '63 6 ч12 69 р = -18° 3,99е-9

При демпфированной обмотке якоря применение индукторов с анизотропией магнитных свойств позволяет уменьшить суммарную энергию разрыва примерно

в 9 раз для индуктора с немагнитной вставкой, и в 1,3 раза для индуктора с мостиком магнитного насыщения. Кроме того, применение индуктора с анизотропией магнитных свойств приводит к различному оптимальному соотношению витков в катушках секций паза.

В таблице 3 приведены результаты расчётов для серийной обмотки при работе машины на переменном токе, из которых следует, что применение индукторов с анизотропией магнитных свойств уменьшает суммарную энергию разрыва примерно на 14 - 40%.

Таблица 3

тип индуктора угол сдвига щёток с ГН, град. п\сУ, + 1У1сум, Дж

ПК-58-1 <р=- 27° 1,06е-5

ПК-58-2 <р = - 27° 6,21е-6

ПК-58-3 р = -27° 9,11е-5

Результаты расчётов для демпфированной обмотки показали, что при работе машины на переменном токе оптимальные параметры отличаются от соответствующих значений при работе ЭМ на постоянном токе. Из результатов расчётов для демпфированной обмотки при работе машины на переменном токе (таблица 4) следует, что, в сравнении с серийной обмоткой, демпфированная позволяет уменьшить коммутационную напряжённость почти в 3 раза в случае применения индуктора без анизотропии магнитных свойств. Наибольшее уменьшение суммарной энергии получилось при применении индуктора с мостиком магнитного насыщения и демпфированной обмотки — примерно в 4,5 раза в сравнении с традиционной конструкцией индуктора и обмотки якоря.

Таблица 4

Тип индуктора И угол сдвига щёток с ГН, град.

ПК-58-1 '69 ОГ ,6 15) <р = —18" 2,83е-5

ПК-58-2 '66 6 ,9 69, <з = -18° 2,92е-6

ПК-58-3 '59 0 ' ,'6 75, <р = -18° 2,31е-6

Таким образом, приведённые методики поиска оптимальных параметров КЭМ позволяют на стадии проектирования КЭМ подобрать соотношение типа индуктора, обмоточных данных и угла сдвига щёток с ГН при котором достигается наименьшая коммутационная напряжённость и, соответственно, следует ожидать увеличение ресурса КЭМ.

При оценке ресурса КЭМ используется разработанный с участием автора программный модуль расчёта изнашивания щеток, учитывающий характеристики материала щеток и нажимного устройства, жесткости контактного слоя щетка-коллектор, механического состояния КЩУ и подшипниковых узлов. Поскольку полученные предыдущими исследователями экспериментальные данные показали, что коллектор КЭМ малой мощности имеет двукратный запас ресурса в сравнении с ресурсом комплекта щеток, то ресурс КЩУ целесообразно оценивать на основе ресурса комплекта щеток.

Таблица 5

тип индуктора Сеоийная обмотка Демпфированная обмотка

Постоянный ток Переменный ток Постоянный ток Переменный ток

ПК-58-1 146 часов 120 676 часов 580

ПК-58-2 276 часов 230 739 часов 640

ПК-58-3 198 часов 215 690 часов 570

В таблице 5 приведены результаты расчёта времени износа щёток КЭМ, из которых следует:

1. Применение индукторов с анизотропией магнитных свойств увеличивает время работы щёток на 26-47% для серийной обмотки при работе машины на постоянном и переменном токе. В то же время изменение обмоточных данных демпфированных обмоток нивелирует влияние анизотропии индуктора на ресурс щёток, которое составляет в данном случае 2-8%.

2. Применение демпфированной обмотки увеличивает время работы комплекта щёток в 2-3 раза в сравнении с серийной обмоткой при работе КЭМ на постоянном токе, и на 30-50% при работе КЭМ на переменном токе.

3. При работе КЭМ на переменном токе наилучший результат дало использование демпфированной обмотки и индуктора с мостиком магнитного насыщения, что привело к увеличению времени работы комплекта щёток примерно в 3,9 раза в сравнении традиционной конструкцией индуктора и обмотки якоря.

4. При работе КЭМ на постоянном токе наилучший результат дало использование демпфированной обмотки и индуктора с немагнитной вставкой, что привело к увеличению времени работы комплекта щёток примерно в 5 раз в сравнении традиционной конструкцией индуктора и обмотки якоря.

Из проведённых исследований следует, что разработанный с участием автора индуктор с мостиком магнитного насыщения может быть более предпочтительным выбором в виду большей технологичности его изготовления, чем индуктор с немагнитной вставкой.

Таким образом, алгоритмы и методики, реализованные в программном комплексе, позволяют подобрать параметры КЭМ, обеспечивающие существенное снижение скорости износа щёток КЭМ, и, соответственно, увеличение их жизненного цикла.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. На основе разработанных и существующих алгоритмов расчёта коммутации создан программный комплекс, позволяющий на стадии проектирования коллекторных электрических машин постоянного и переменного тока малой мощности осуществлять оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Предложена методика и алгоритм расчета магнитного поля КЭМ постоянного и переменного тока для нетрадиционных конструкций индуктора и обмотки якоря.

3. Предложены методики расчета величин электромагнитных параметров коммутируемых секций в процессе вращения якоря, в том числе для нетрадиционных конструкций обмоток якоря с учётом реальной картины магнитного поля электрических машин постоянного и переменного тока.

4. Исследованы основные закономерности влияния степени насыщения магни-топровода, анизотропии магнитных свойств индуктора, колебания физической нейтрали и типа обмотки якоря на распределение магнитного поля электрической машины, мгновенных значений ЭДС, собственных и взаимных индуктивностей коммутируемых секций якоря.

5. Предложены методики и алгоритмы поиска оптимального угла сдвига щёток с ГН и параметров обмоточных данных в целях минимизации коммутационной напряжённости.

6. На основе численного моделирования коммутационных процессов КЭМ на протяжении их жизненного цикла при работе на постоянном и переменном токе выработаны рекомендации по изменениям в конструкциях индуктора, якорных обмоток и угла сдвига щёток с ГН, обеспечивающие снижение энергии искрения под щеткой приблизительно до 10 раз и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе машины на постоянном токе, и почти в 4 раза при работе на переменном токе в сравнении с традиционными конструкциями.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Коммутирующие свойства обмоток якорей коллекторных машин электроприводов на начальном этапе коммутации./ Качин С.И., Боровиков Ю.С.,

Качин О.С., Клыжко E.H. // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 5. - С. 136-140.

2. Анализ коммутирующих свойств обмоток якорей электроприводов на завершающей стадии процесса коммутации./ Качин С.И., Боровиков Ю.С., Качин О.С., Саблуков В.10., Клыжко Е.Н.// Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. -№ 7. - С. 103-106.

3. Моделирование коммутационных процессов коллекторных машин малой мощности с нетрадиционными конструкциями активных элементов./ Клыжко Е.Н.// Электричество, 2009. -№ 12 -с. 71-73

4. Расчёт электромагнитных параметров коммутируемых секций якоря коллекторных машин переменного тока малой мощности./Клыжко Е.Н., Качин С.И.//Электромеханика, 2011. -№ 6 -с. 80-84

Патенты и свидетельства о регистрации:

5. Пат. 2313879 РФ, МПК Н02К 1/14. Сердечник статора коллекторной электрической машины / С.И. Качин, О.С. Качин, Е.Н. Клыжко. Заявлено 29.08.2006; Опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36.-15 с.: ил.

6. Программа расчета коммутирующих электродвижущих сил электрической машины малой мощности / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, Е.Н. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610892 от 22.02.2007.

7. Программа расчета магнитного поля электрической машины / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, Е.Н. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610891 от 22.02.2007.

8. Программа расчета мгновенных давлений в скользящем контакте щетка-коллектор / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, Е.Н. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006610773 от 26.02.2006.

Публикации в других изданиях:

9. Математическое моделирование магнитных полей коллекторных машин с анизотропными магнитными свойствами индуктора./ Клыжко Е.Н., Боровиков Ю.С.// «Современные техника и технологии»: Труды XI международной науч.-практ. конф.. - Томск: ТПУ, 2005. - Т. 1. - С. 351-352.

10.Применение расчетных и измерительных комплексов для обеспечения качества электродвигателей для электроинструмента./ Качин С.И., Боровиков Ю.С., Клыжко Е.Н., Саблуков В.Ю., Качин О.С.// «Электромеханические преобразователи энергии»: Труды международной науч.-техн. конф.. -Томск: 20 - 22 октября 2005. - С. 78-81.

11.Моделирование магнитного поля коллекторных электрических машин малой мощности для расчетов процесса коммутации численными методами./ Клыжко Е.Н., Качин С.И., Боровиков Ю.С.// «Электромеханические преобразователи энергии»: Труды международной науч.-техн. конф.. - Томск: 20

- 22 октября 2005. - С. 81-85.

12.Расчёт магнитного поля электрической машины с нетрадиционными конструкциями статора./ Качин С.И., Боровиков Ю.С., Клыжко Е.Н.// Электромагнитные процессы в электромеханических преобразователях энергии»: Межвузовский тематический сборник научных трудов. - Омск: ОмГУПС, 2006. - С. 39-44.

13.Формирование пространственно - временных зависимостей магнитного потока секций для расчёта коммутационных процессов коллекторных электрических машин./Клыжко Е.Н. // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. XVII науч.-техн. конф. (20-21 апр. 2006г., г.Томск), Томск.ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006.-348с.

14.Моделирование и расчет индукции магнитного поля в воздушном зазоре электрических машин./ Клыжко Е.Н.// Электромеханические преобразователи энергии: Материалы международной научно-технической конференции -Томск, 17-19 октября 2007. - Томск:, 2007. - с. 98-100

15.Расчет собственных и взаимных индуктивностей обмоток коллекторных переменного тока малой мощности с применением программы Matlab./ Клыжко Е.Н.// Совершенствование электромеханических преобразователей преобразователей энергии: Сборник научных трудов, 2010. -с. 50-54

16.Исследование влияния реакции якоря на распределение магнитного поля в зазоре коллекторной электрической машины переменного тока малой мощности и на положение физической нейтрали./Клыжко Е.Н.// СТТ-2011

17.Клыжко Е.Н. Методика снижения коммутационной напряжённости коллекторных машин переменного тока малой мощности изменением параметров обмотки якоря и сдвига щёток с геометрической нейтрали.// «Электромеханические преобразователи энергии»: Труды международной науч.-техн. конф. - Томск: 12 - 14 октября 2011. - С. 120-123.

Личный вклад автора. Пять работ написаны автором единолично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: обработка полученных данных [1, 2, 8]; разработка алгоритмов расчёта [4]; реализация части расчётных алгоритмов [5-7, 9-12].

Подписано к печати 24.11.2011. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать ХЕРОХ. Усл.печ.л. 1,34. Уч.-изд.л. 1,21. ___________________Заказ 1735-11. Тираж 100 экз._______________________

Томсхий политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

КШТНШЮТ'ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДИК И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ РАСЧЕТА КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Обзор программного обеспечения для расчёта коллекторных машин, разработка концепции программного комплекса определения коммутационных параметров КЭМ.

1.2 Аналитические методы расчёта магнитного поля КЭМ.

1.3 Численные методы расчёта магнитного поля КЭМ.

1.4 Программные продукты для расчёта магнитного поля КЭМ.

1.5 Методы расчёта собственных и взаимных индуктивностей обмоток КЭМ.

1.6 Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ РАСЧЕТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ КЭМ С РАЗЛИЧНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ИНДУКТОРА И ОБОТОК ЯКОРЯ.

2.1 Описание используемой модели КЭМ.

2.2 Методика расчёта распределения индукции магнитного поля в поперечном сечении и воздушном зазоре КЭМ.

2.3 Расчёт распределения индукции магнитного поля в поперечном сечении и воздушном зазоре КЭМ в процессе поворота якоря при работе двигателя на постоянном и переменном токе.

2.4 Исследование влияния анизотропии магнитных свойств индуктора и обмотки якоря на распределение магнитной индукции в воздушном зазоре КЭМ.

2.5 Исследование явления колебания положения физической нейтрали.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ РАСЧЕТА КОММУТИРУЕМОЙ ЭДС, СОБСТВЕННОЙ И ВЗАИМНОЙ ИНДУКТИВНОСТЕЙ СЕКЦИЙ ЯКОРЯ КЭМ ПРИ РАБОТЕ НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ.

3.1 Методика расчёта ЭДС коммутируемых секций якоря при работе машины на постоянном и переменном токе.

3.2 Методика расчёта собственной и взаимной индуктивностей коммутируемых секций якоря при работе машины на постоянном и переменном токе.

3.3 Анализ влияния типа индуктора и якорной обмотки на ЭДС, собственные и взаимные индуктивности коммутируемых секций.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ КЭМ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ НА ПРОТЯЖЕНИИ ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА, ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫХ ПАРАМЕТОВ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ЩЁТОК.

4.1 Анализ электромагнитных факторов оказывающих влияние на коммутационную напряжённость КЭМ.

4.2 Методика поиска оптимальных электромагнитных параметров КЭМ, минимизирующих коммутационную напряжённость.

4.3 Определение оптимальных электромагнитных параметров КЭМ и ресурса комплекта щёток на протяжении жизненного цикла кол-лекторно-щёточного узла.

4.4 Выводы.

Универсальные коллекторные двигатели получили большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Они дают возможность просто, плавно и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне, имеют сравнительно высокий КПД, большие пусковые моменты. Однако указанный тип двигателей имеет ряд недостатков один, из которых связан с наличием щёточно-коллекторного узла, снижающего надежность и требующего дополнительного ухода, тем не менее, несмотря на развитие асинхронных, синхронных и других типов электродвигателей, претендующих на замену универсальных коллекторных двигателей, подобной полноценной замены в обозримом будущем не предвидится. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть каталоги предлагаемой продукции таких фирм как Zhongshan Ruiying Motor & Electric Co., Ltd., Bosh, Shenzhen Power Motor Industrial Co., Ltd, EXMEK Electric Co. Ltd, Galanz Motor Manufacture Co., Ltd, Johnson Motor, Flard Electric Industry Co., Ltd, Baldor и др., предлагающих широкий выбор коллекторных двигателей постоянного и переменного тока самого различного назначения.

По проблеме коммутационной напряжённости КЭМ выполнено множество экспериментальных и теоретических исследований. Большой вклад в изучение данной проблемы внесен рядом таких исследователей, как: B.C. Хвостов, В.Д. Авилов, A.C. Курбасов, Р.Ф. Бекишев, Л.Я. Зиннер, С.И. Качин, И.В. Пло-хов, А.И. Скороспешкин, И.И. Туктаев, В.В. Харламов, и многими другими.

В настоящее время основные коллективы, занимающиеся проблематикой коллекторных машин, работают на кафедрах следующих институтов и университетов: Томского политехнического университета [16, 20, 21, 22], Московского энергетического института (технический университет) [30, 31], Воронежского государственного технический университета [29, 32], Самарского государственного технического университета [26, 28], Омского государственного технического университета [27, 33], Омского государственного университета путей сообщения [51, 56, 70] и других [62, 66, 68, 69, 71, 72]. Кроме того, выходит большое количество публикаций в российской и зарубежной печати, посвященных развитию указанного класса машин.

С самого зарождения классической теории и до настоящего времени некоторые положения теории коммутации не совпадают с данными практики. Расчет и конструирование коммутационных элементов машин продолжает содержать эмпирическую основу, так как классическая теория не может дать строго обоснованный и практически приемлемый метод расчёта коммутации для случая, когда щётки перекрывают несколько коллекторных пластин, в условиях возросших величин реактивных ЭДС, применения высоких окружных скоростей вращения коллектора и возрастания температуры коллекторного-щёточного узла (КЩУ). Таким образом, все работы, посвященные процессу коммутации, в той или иной степени являются попытками, избавится от допущений классической теории коммутации и получить более точную картину процесса коммутации.

Из обзора диссертационных работ следует, что в последнее время основное внимание уделяется исследованиям механической природы коммутационной устойчивости [16, 20, 21 22], оставляя в стороне электромагнитную составляющую, которая оказывает существенное влияние на процесс коммутации. Разработка новых конструкций коллекторных электрических машин, применение индукторов с анизотропией магнитных свойств, разработка новых типов обмоток якоря (демпфированных), высокие скорости вращения якоря машины ставят задачу более адекватной оценки электромагнитных факторов, влияющих на протекание процесса коммутации. Кроме того, в связи с ростом требований к коммутационной напряженности коллекторных электрических машин переменного тока малой мощности, предприятия - изготовители нуждаются в программных продуктах, позволяющих на стадии проектирования осуществлять отработку конструкций основных элементов машин с применением вычислительных экспериментов для улучшения основных технических показателей изделий.

Таким образом, необходимо создание и реализация в программном комплексе адекватной расчётной модели коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах переменного тока, учитывающей в максимальной степени влияние основных факторов электромагнитной и механической природы на процесс коммутации.

Настоящую работу можно считать естественным продолжением прежних публикаций [16, 20, 21, 22], отражающих направление научных разработок коллектива ТПУ.

Объектом исследования являются коллекторные электрические машины постоянного и переменного тока малой мощности.

Предметом исследования является методическое и алгоритмическое обеспечение для исследования коммутационных процессов КЭМ.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса работы щёток КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока путём выбора их конструктивных параметров на основе моделирования коммутационных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать архитектуру программного комплекса, решающего задачи расчёта коммутации секций якоря и оценки коммутационной напряжённости КЭМ малой мощности на основе наиболее полного учёта факторов механической и электромагнитной природы;

- создать программный модуль для расчёта магнитных полей КЭМ постоянного и переменного тока с разной степенью анизотропии магнитных свойств индуктора;

- создать программный модуль для расчёта механики КЩУ и контактных сопротивлений между щёткой и коллекторными пластинами;

- создать программный модуль для расчёта электромагнитных параметров, коммутируемых секций якоря, позволяющий учитывать различные типы обмотки якоря при работе машины на постоянном и переменном токе;

- разработать программный модуль для поиска оптимальных параметров конструкций элементов КЭМ, в том числе якорных обмоток, в целях уменьшения коммутационной напряжённости;

- разработать программный модуль для прогнозирования ресурса щёток КЭМ с учётом механического состояния скользящего контакта в процессе коммутации и уточнённых электромагнитных параметров коммутируемых секций.

Основные методы научных исследований. Теоретические исследования процесса коммутации электрических машин проводились с применением методов математического моделирования, дифференциального и интегрального исчислений. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программы Matlab. Разработка оригинального программного продукта осуществлялась в среде Visual Studio 2010 на языке программирования С# с применением технологий модульного программирования, распределённого и параллельного вычислений. Для проверки корректности алгоритмов и программ использовались данные экспериментов, а также результаты расчетов на основе коммерческих программ ELCUT и Matlab. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках и реальных коллекторных электрических машинах малой мощности.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная система взаимосвязанных алгоритмов для расчетной оценки и прогнозирования коммутационной напряженности КЭМ и расчёта ресурса щеток электрических машин малой мощности постоянного и переменного тока с нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря с учетом электрофизических и механических свойств кол-лекторно-щеточного узла, мгновенных значений собственных и взаимных индуктивностей секций паза якоря.

2. Предложены алгоритмы расчета магнитного поля электрических машин постоянного и переменного тока методом конечных элементов (МКЭ) с введением процедуры уточнения конечного решения, а также вычислений величин индуктивностей и взаимных индуктивностей коммутируемых секций в процессе вращения якоря на основе величин энергии создаваемого ими магнитного поля, в том числе для нетрадиционных конструкций индуктора и обмотки якоря.

3. Выявлены основные закономерности влияния степени насыщения магни-топровода, анизотропии магнитных свойств индуктора и типа обмотки якоря на распределение магнитного поля электрической машины и мгновенные значения ЭДС, собственных и взаимных индуктивностей коммутируемых секций.

4. Исследованы для различных конструкций индуктора и обмотки якоря явления колебания положения физической нейтрали магнитного поля электрической машины вследствие зубчатости якоря, влияющие на величины коммутирующих ЭДС, индуктивностей и взаимных индуктивностей секций якоря.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный многофункциональный программный комплекс позволяет осуществлять расчётную оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс, что обеспечивает сокращение времени и затрат на проектирование КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока.

2. Созданный программный комплекс является инструментом научных исследований, и используется для математического моделирования коммутационных процессов и явлений изнашивания щеток КЭМ постоянного и переменного тока с традиционными и нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря, а также для синтеза КЭМ с оптимальными параметрами коллекторно-щеточного узла, геометрии магнитной системы и архитектуры демпфированных обмоток якоря.

3. На основании виртуальных исследований коммутационных процессов электрических машин малой мощности выработаны рекомендации по выбору конструкций анизотропных индукторов и демпфированных обмоток якоря с улучшенными функциональными свойствами.

4. Предложенные технические решения индуктора с анизотропными магнитными свойствами и демпфированных обмоток якоря обеспечивают снижение энергии искрения под щеткой на порядок и более и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе КЭМ на постоянном токе, и в 4 раза при работе на переменном токе в сравнении с традиционными конструкциями.

Реализация результатов работы. Разработанная с участием автора модель изменения токов секций при коммутации и энергий коммутационного искрения, а также созданный на её основе вариант методики расчёта ресурса щёток КЭМ были переданы для использования компании «LG Electronics Inc.». Разработанный в диссертационной работе программный комплекс используется в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении.

На защиту выносится:

1. Многофункциональный программный комплекс для расчёта коммутационных параметров КЭМ постоянного и переменного тока малой мощности, позволяющий осуществлять оценку работоспособности коллектор-но-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Методика и программа расчёта магнитного поля КЭМ при работе на постоянном и переменном токе.

3. Методика и программа расчёта ЭДС коммутируемых секций якоря с учётом трансформаторной ЭДС.

4. Методика и программа расчёта собственных и взаимных индуктивно-стей коммутируемых секций якоря на основе энергии магнитного поля.

5. Алгоритм и программа оптимизации обмоточных параметров КЭМ с целью снижения их коммутационной напряжённости.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2005, 2011 гг.), «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007, 2011 гг.), «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ФГУП «НПЦ «Полюс» 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе четыре статьи в журналах по списку ВАК, один патент РФ на изобретение и три свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, выполнена на 116 страницах машинописного текста, содержит 57 иллюстраций, 10 таблиц, список литературы из 103 наименований и 2 приложения на 21 странице. Общий объем диссертации составляет 137 страниц.

3. Результаты исследования распределения индукции магнитного поля в воздушном зазоре показали, что положение физической нейтрали зависит от геометрии зубцовой зоны якоря, при этом амплитуда её колебаний составляет до половины пазового деления. Выявлено, что применение индуктора с анизотропией магнитных свойств и демпфированной обмотки приводит к уменьшению отклонения среднего положения физической нейтрали от геометрического положения до 10%, что необходимо учитывать при определении оптимального угла сдвига щёток с ГН.

4. Разработанные методики расчёта ЭДС, само- и взаимоиндукции секций паза якоря позволяют проводить их расчёт при работе КЭМ на постоянном и переменном токе с учётом нестандартных конструкций активных элементов.

5. Выявлено что величины ЭДС коммутируемых секций паза якоря при работе КЭМ на переменном токе существенно зависят от степени насыщения магнитной системы, при этом они отличаются от значений ЭДС при работе КЭМ на постоянном токе от 10% до нескольких раз. Также мгновенные значения само- и взаимоиндукции секций изменяются более чем в 10 раз при изменении тока параллельной ветви от минимума до максимума. Также результаты виртуальных исследований показали существенное влияние геометрии зубцового слоя якоря на электромагнитные параметры коммутируемых секций. Мгновенные значения само- и взаимоиндукции секций изменяются до 2 раз за время коммутации. Результаты расчётов показали, что подобные изменения мгновенных значений электромагнитных параметров оказывают существенное влияние на коммутационную напряжённость КЭМ, приводя к её увеличению или к снижению в сравнении с расчётами, проводимыми по аналитическим зависимостям.

6. Разработанная методика расчёта собственных и взаимных индуктивностей на основе энергий магнитного поля позволяет проводить расчёт их мгновенных значений с учётом всех работающих обмоток. При этом в максимальной степени учитывается нелинейность магнитной системы и минимизирована погрешность расчёта за счёт использования значений векторного потенциала. Отклонение рассчитанного значения собственной индуктивности секции паза от измеренного значения на реальном двигателе прибором М,С Е7-22 составило не более 5%.

7. Разработанная методика поиска оптимальных параметров элементов конструкции КЭМ позволяет достичь наименьшей коммутационной напряжённости путём подбора оптимального угла сдвига щёток с ГН и параметров обмоточных данных демпфированных обмоток.

8. Результаты расчётов показали, что анизотропия индуктора приводит к снижению оптимального угла сдвига щёток с ГН и к уменьшению энергий искрения в 10 и более раз при работе на постоянном токе и до 40% при работе на переменном в сравнении с серийной конструкцией. В тоже время изменение обмоточных данных демпфированной обмотки позволяет снизить энергии искрения до 3 и 16 раз при работе машины на переменном и постоянном токе соответственно с одинаковым типом индуктора.

9. На основе численного моделирования коммутационных процессов КЭМ на протяжении их жизненного цикла при работе на постоянном и переменном токе выработаны рекомендации по изменениям в конструкциях индуктора, якорных обмоток и угла сдвига щёток с ГН, обеспечивающие снижение энергии искрения под щеткой приблизительно до 10 раз и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе машины на постоянном токе, а также снижение энергии искрения под щеткой приблизительно до 9 раз и увеличение ресурса щёток почти в 4 раза при работе машины работе на переменном токе в сравнении с традиционной конструкцией, что говорит об эффективности возможности поиска оптимальных электромагнитных параметров КЭМ на стадии их проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. На основе ранее разработанных с участием автора и новых методик расчёта магнитного поля КЭМ, электромагнитных параметров коммутируемых секций паза якоря, контактных сопротивления и т.д. создан программный комплекс, позволяющий на стадии проектирования коллекторных электрических машин постоянного и переменного тока малой мощности осуществлять оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Предложена методика и алгоритм расчета распределения индукции магнитного поля в поперечном сечении КЭМ постоянного и переменного тока для нетрадиционных конструкций индуктора и обмоток якоря с использованием метода конечных элементов. Использование разработанной процедуры уточнения конечного решения позволило получать распределение магнитной индукции с приемлемой точностью, при этом отклонения в значениях индукции на участках магнитной цепи с сильным насыщением составило до 5% в сравнении с расчётом в коммерческом программном продукте. Методика позволяет с отклонением в 9-12% получать распределение средних значений магнитной индукции в воздушном зазоре КЭМ в сравнении с традиционной методикой расчёта для данного типа КЭМ на основе традиционных аналитических зависимостей.

1. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970.-376 с.

2. Зинкевич О. Метод конечных элементов в технике.-М.: Мир, 1975-115с.

3. Демирчан К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. -М.: Высш. шк., 1986. 240 с.

4. Столов Л.И., Зыков Б.Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977. 112 с.

5. В.Н. Овсянников, М.Т. Мифтахов, С.М. Минеев Математическое моделирование магнитного поля в беспазовом моментном двигателе с высококоэрцитивными постоянными магнитами УДК 621.313.013.001.24

6. В.О. Васьковский Мостовой метод определения динамических характеристик магнетиков, Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный университет им. A.M. Горького

7. Бравичев С.Н., Быковский В.В. Применение понятия комплексной магнитной проницаемости при расчетах магнитных полей электрических машин вестник ОГУ Г2004

8. Николаев Алексей Васильевич Разработка и исследование беспазовых электромеханических компонентов ветроэнергетических и вентильно машинных систем: дис. канд. техн. наук: 05.09.01: Чебоксары, 2006 241 с. РГБ ОД, 61:075/277

9. Каранкевич А. Г. Герметичный источник питания для геофизической скважин-ной аппаратуры: Дис. канд. техн. наук: 05.09.01: Томск, 2004 117 с. РГБ ОД, 61:05-5/596

10. Леонов С. В. Физико-математическая модель и программное обеспечение для расчета магнитных систем с постоянными магнитами. УДК: 538.6:621.313:621.3.08

11. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. М.: Высш. школа, 2001. 327 с.

12. Бланк A.B. Разработка метода расчета магнитного поля в дискретнооднородных цилиндрических структурах явнополюсных электрических машин: Дис. канд. техн. наук: 05.09.01: Новосибирск, 2005 157 с. РГБ ОД, 61:05-5/3443

13. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.

14. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчёт индуктивностей.- JI: Энергоатомиздат, 1986.

15. Немцов М.В. Справочник по расчёту параметров катушек индуктивности.-Москва, Энергоатомиздат, 1989.

16. Качин С.И. Высокоиспользованные коллекторные электрические машины малой мощности. Дисс. докт. техн. наук. Томск: ТПУ, 2002. - 438 с.

17. Качин С.И., Боровиков Ю.С., Бекишев Р.Ф. Улучшение эксплуатационных показателей коллекторных электрических машин применением анизотропных конструкций индукторов. // Известия вузов. Электромеханика. 2003. - № 3. -с. 44 - 49.

18. Бекишев Р.Ф., Качин С.И., Боровиков Ю.С. Совершенствование коллекторных электрических машин систем электроприводов // Известия Томского политехнического университета. 2003. Т. 306. № 3

19. Качин С.И., Боровиков Ю.С. Оптимизация параметров демпфированных обмоток якорей коллекторных электрических машин // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 5

20. Боровиков Ю.С. Программно-аппаратные средства для оценки коммутационной напряженности коллекторных электрических машин Дис. канд. техн. Наук. Томск: ТПУ, 2003.

21. Саблуков В.Ю. Модели, методы и средства для оценки механического состояния скользящего контакта электрических машин: дис. кандидата технических наук: 05.09.01, 05.09.03 Томск: ТПУ, 2008 162с.

22. Качин О. С. Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей: дис. кандидата технических наук: 05.09.01 Томск, 2008.- 178 с.

23. Зубрицкий С.М., Писларь И.Г., Чернов И.А., Ярычева 3.JI. Аппроксимацияосновной кривой намагничивания магнитомягких материалов. //Вестник Иркутского университета. Иркутск: Иркут. ун.-ет, 2002.

24. Гололобов В.В., Рымша В.В. Представление кривых намагничивания в численных расчетах магнитного поля. // УДК 621.313.13 1998г

25. Качин С.И. Пат. 2107375 РФ. Статор коллекторной электрической машины / С.И. Качин. Опуб. в Б.И. № 8, 1998.

26. Солдаткин A.B. Повышение коммутационной устойчивости тяговых электрических машин за счет совершенствования технологии ремонта коллекторов: дисс. кандидата технических наук: 05.22.07; Омск 2004

27. Игнатьев В.А. Методы и средства повышения коммутационной устойчивости коллекторных машин постоянного тока: диссертация кандидата технических наук: 05.09.01; Самара, 2003

28. Калинин М.С. Расчет и наладка коммутации машин постоянного тока на основе новых инструментальных средств моделирования и управления: диссертация кандидата технических наук: 05.09.01; Воронеж, 2004

29. Панихин М.В. Исследование переходных процессов и радиопомех в коллекторном двигателе переменного тока: дис. канд. техн. наук: 05.09.01 Москва, 2007 110 с. РГБ ОД, 61:07-5/1922

30. Быковский В.В. Разработка однофазного коллекторного двигателя с порошковым магнитопроводом: Дис. канд. техн. наук: 05.09.01 Москва, 1996 175 с. РГБ ОД, 61:96-5/529-1

31. Никулин С. В. Улучшение свойств щеточного контакта электрических машин: диссертация кандидата технических наук: 05.09.01-Воронеж, гос. техн. ун-т. -Киров, 2008. 190 с.

32. Андреева Е.Г., Шамец С.П., Колмогоров Д.В. Конечно-элементный анализ стационарных магнитных полей с помощью программного пакета ANS YS: Учеб. Пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002, 92 с.

33. ELCUT. Комплекс программ моделирования двумерных физических полей с помощью метода конечных элементов. Версия 5.7. Руководство пользователя. СПб.: НПКК "ТОР", 2009. 339 с.

34. Домбровский В. В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1983.- 256 с.

35. Демирчян К. С., Чечурин В. JT. Машинные расчеты электромагнитных полей. -М.: Высш. шк., 1988.- 336 с.

36. Мифтахов М.Т., Тищенко O.A., Галян Э.Т. Аналитическое исследование магнитного поля в МПТ с гладким якорем с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов. Сб. науч. тр. Самарского политехнического института. -Самара, 1991.

37. Новик Я.А. Численный расчет магнитного поля методом конечных элементов в электрических машинах с учетом насыщения стали // Изв. АН Латв. ССР. Сер.физ. и тех. наук. 1974. №6. С. 17-22.

38. Казьмин Е. В. Расчет и оптимизация магнитоэлектрических машин с радиальными пм на поверхности ротора: дис. кандидата технических наук: 05.09.01; Место защиты: Моск. энергет. ин-т., Москва, 2009

39. Мартынов В.А. Математическое моделирование переходных процессов электрических машин на основе численного метода расчета электромагнитного поля/В. А. Мартынов. -1997

40. Норри Д., Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. М.:Мир, 1981. - 304с.

41. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. - 616 с.

42. Чернигин А. С. Математические модели поля в зубцовой зоне редукторных электродвигателей: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.09.01 Воронеж, 2000.

43. Решко Б. А. Разработка методов расчета электромагнитных полей в областях сложной формы при проектировании электрических машин: диссертация . кандидата технических наук: 05.09.05 Ленинград, 1984.

44. Марчук Г. И., Агошков В. И. Введение в проекционно-сеточные методы М.: Наука, 1981.-416 с

45. Казаков Ю. Б. Численное моделирование и разработка конструкций электрических машин с учетом взаимного влияния физических полей: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.09.01- М., 2000.

46. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока -Питер, 2008.-350с

47. Осадченко А. А. Мониторинг искрения тяговых электрических машин постоянного тока: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.09.01 Томск-2010.

48. Авилов В. Д. Повышение коммутационной устойчивости крупных коллекторных машин постоянного тока (методы анализа, диагностирования и настройки коммутации): автореферат дис. доктора технических наук: 05.09.01, Москва, 1989

49. Битюцкий, И. Б. Совершенствование методов улучшения комутации мощных машин постоянного тока: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн.наук: 05.09.01. Новочеркасск, 1992.- 36 с.

50. Горюнов В. Н. Беспазовые электрические машины с многополюсными и униполярны ми индукторами на высококоэрцитивных магнитах: автореферат дис. доктора технических наук: 05.09.01 Москва, 1994

51. Давыденко О. Б. Разработка элементов теории и методики электромагнитногорасчета синхронного реактивного электродвигателя со слоистым ротором: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук:05.09.01 -Новосибирск, 1999.

52. Дуюнов А. В. Исследование магнитного поля и расчет параметров пазов статора асинхронной машины: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.09.01 Новосибирск, 1999.

53. Сергеев Р. В. Диагностирование технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей в процессе приемо-сдаточных испытаний: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.22.07 0мск-2002

54. Зеленченко А.П. Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава: Учебное пособие Москва-2002

55. Н. Бахвалов. Н.Жидков. Г. Кобельков. Численные методы. Физматлит, М.- СПб -2000

56. Горюнов В. Н. Метод конечных элементов в задачах моделирования полей в системах многополюсных магнитоэлектрических машин с радиальным и торцевым возбуждением. Омск, 1989. - 26 с. - Деп. в Информэлектро, 10.04.89, № 252 - ЭТ 89.

57. Колесников В. Э. Полевые имитационные компьютерные модели элементов электрических машин: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.09.05, 1999. 18 с.

58. Цыбулевский Ф. И. Теоретические основы совершенствования электромагнитных расчетов электрических машин переменного тока: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.09.01. Новочеркасск, 1999.-48 с.

59. Антипов, В. Н. Коммутационная способность двигателей постоянного тока: монография. СПб.: Наука, 1993. - 140 с.

60. Иванов А. А. Расчет магнитного поля в зазоре электрических машин: учеб. пособие. Л.: ЛПИ, 1990. - 89 с.

61. Инкин А. И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин:учеб.пособие Новосибирск: ЮКЭА, 2002. - 463 с.

62. Битюцкий И. Б. Новые методы расчета и наладки коммутации машин постоянного тока: монография. Новочеркасск: Ред. журн. "Известия вузов. Электромеханика", 2003. - 225 с.

63. Захарченко П.И., Дудник М.З., Карась C.B., Ковалев Е.Б. Оценка влияние насыщения магнитной системы на токи статора вентильного электродвигателя шахтного электровоза. Донецк: ДонНТУ, 2002.- Вип.51.-С. 87-91.

64. Беспалов В. Я. Современные коллекторные двигатели: доклады науч.-практ. семинара// Электропривод постоянного тока. Состояние и тенденции. М.: Изд-во Московского энергетического института (технического университета). -2002.-С. 4-12.

65. Веселка Ф. Новые подходы к улучшению коммутационных свойств электрических машин с коллектором// Электричество. 1995. - № 4. - С. 34-36.

66. Харламов, В. В. Оценка влияния механических факторов на процесс коммутации машин постоянного тока в условиях эксплуатации. Электромагнитные процессы в электромеханических преобразователях энергии. Омск : Изд-во ОмГУПСа, 2006. - С. 28-34.

67. Determination of the Quality of Commutation. / H. W. Bishop, I. G.W. Wilson ; 2 International Conference on Electric Machines(2;1985) из кн.:. S.I., 1985. - P. 275279. - Б. ц.

68. Commutation in DC Machines with Input Current Ripple / С. C. Okoro ; 2 International Conference on Electric Machines(2;1985) из кн.: . S.I., 1985. - P.295-298. -Б. ц.

69. J. С S AB ONNADIERE, G. MEUNIER and В. MOREL: FLUX: a General Interactive Finite Element Package for 2D Electromagnetic Field,Proc. of COMPUMAG Conf. Chicago 1981.

70. QuickField™ User's Guide Version 5.8. Tera Analysis Ltd. 2010

71. Partial Differential Equation Toolbox User's Guide

72. Integrated Engineering Software 2D Parametric Analysis, www.integratedsoft.com

73. Баженова И.Ю. Разработка распределенных приложений М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2007. - 146 с.

74. The Scottish Power Electronics and Electric Drives Consortium, http://www.speedlab.co.uk/

75. Magsoft Corporation, http://www.magsoft-flux.com

76. Infolytica Corporation, http://www.infolytica.com/.

77. Maxwell, Ansofit, http://www.ansoft.com/

78. Femlab, http://www.comsol.com/

79. Matlab, http://www.mathworks.com/

80. Гандшу B.M. Представление шихтованных сердечников в задачах расчета магнитных полей, http://elcut.ru/articles/gandshou/laminate.pdf

81. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин.-Москва, Энергия, 1978,480 стр с илл.

82. Качин С.И. Пат. 2313879 РФ, МПК Н02К 1/14. Сердечник статора коллекторной электрической машины / С.И. Качин, О.С. Качин, E.H. Клыжко. Заявлено 29.08.2006; Опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36. 15 е.: ил.

83. Качин С.И. Коммутирующие свойства обмоток якорей коллекторных машин электроприводов на начальном этапе коммутации./ Качин С.И., Боровиков

84. Ю.С., Качин О.С., Клыжко E.H. // Известия Томского политехнического университета. 2005. - Т. 308. - № 5. - С. 136-140.

85. Клыжко E.H. Моделирование коммутационных процессов коллекторных машин малой мощности с нетрадиционными конструкциями активных элементов/ Клыжко E.H.// Электричество, 2009. -№ 12 -с. 71-73

86. Клыжко E.H. Расчёт электромагнитных параметров коммутируемых секций якоря коллекторных машин переменного тока малой мощности./Клыжко E.H., Качин С.И.//Электромеханика, 2011. -№ 6 -с. 10-14

87. Качин С.И. Программа расчета коммутирующих электродвижущих сил электрической машины малой мощности / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610892 от 22.02.2007.

88. Качин С.И. Программа расчета магнитного поля электрической машины / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610891 от 22.02.2007.

89. Качин С.И. Программа расчета мгновенных давлений в скользящем контакте щетка-коллектор / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006610773 от 26.02.2006.