автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка метода расчета магнитного поля в дискретно-однородных цилиндрических структурах явнополюсных электрических машин

Бланк Алексей Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ДИСКРЕТНО-ОДНОРОДНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ЯВНОПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность: 05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2005

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Инкин Алексей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полевскнй Виталий Иванович кандидат технических наук, доцент Приступ Александр Георгиевич

Защита состоится 10 июня 2005 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « » мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ведущее предприятие

ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва)

канд. техн. наук, доцент

Бородин Н. И.

2_ооб -ч

6'7 5 ¿/Л-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ужесточение требований к технико-экономическим показателям электрических машин приводит к необходимости уточнять, дополнять и развивать существующие методы теории электрических машин. Одно из перспективных направлений при расчетах электромагнитных характе-г ристик и соответствующих параметров электрических машин связано с анали-

тическими исследованиями единого магнитного поля в их активных объемах.

Ввиду сложности математической постановки задач и самого их реше-^ ния аналитические исследования всегда сопровождаются допущениями, при-

водящими к нежелательным погрешностям.

Одно из таких допущений, в частности, предусматривает «развертку» цилиндрической машины с последующим использованием при анализе магнитного поля декартовой системы координат. И если в неявнополюсных машинах (при относительно малых размерах конструктивных зон, таких как воздушные зазоры, зубцово-пазовые структуры и ярма) развертка активного объема представляется естественной и не приводит к заметным погрешностям, то в электрических машинах с явновыраженными полюсами (особенно при относительно большой высоте полюса) она может привести к серьезным искажениям картины магнитного поля и, как следствие, к ощутимым погрешностям при расчете интегральных характеристик машины.

Использование развертки явнополюсной машины позволило коллективу кафедры теоретических основ электротехники НГТУ (НЭТИ) разработать оригинальный метод расчета единого магнитного поля машины, с применением плоских слоистых расчетных моделей, в которых конструктивные структуры полюсов и межполюсных пространств представлялись в виде сплошных полос с периодически изменяющимися дискретно-однородными физическими свойствами. Этот метод хорошо зарекомендовал себя при решении многих конкретных задач, однако, его возможности оказались ограниченными именно по причине использования базового допущения, связанного с переходом от цилиндрической структуры активного объема машины к его плоскому расчетному представлению.

Устранение указанного недостатка требует постановки и аналитического решения качественно новых задач теории поля при допущениях, исключающих необходимость развертки цилиндрической машины и использования ее плоских слоистых моделей, то есть по существу разработки нового специального метода расчета единого магнитного поля в активных объемах явнопо-люсных электрических машин цилиндрического исполнения.

Цель работы и задачи исследования:

1. Разработать аналитический метод моделирования магнитного поля в активном объеме явнополюсных электрических машин в цилиндрической системе координат и его программную реализацию.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ КИМ ПОТЕКА

о» я%&нОд0

2. Разработать математические модели поля возбуждения электрических машин с постоянными магнитами клиновидной формы.

3. Произвести сравнительный анализ математических моделей магнитного поля синхронных машин с постоянными магнитами в декартовой и цилиндрической системах координат.

4. Реализовать расчет поля возбуждения магнитоэлектрического синхронного генератора специального назначения разработки ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва).

Объект исследования:

1. Явнополюсные электрические машины цилиндрического исполнения.

2. Синхронные магнитоэлектрические генераторы специального назначения.

Методы исследования. Исследование магнитного поля проводилось с помощью математического моделирования в дискретно-однородных слоистых структурах на основе решения системы уравнений магнитостатики в цилиндрических координатах методом разделения переменных с применением кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля.

В целях реализации математической модели автором были написаны программы для ЭВМ в среде МаЛСАБ 11, позволяющие рассчитывать магнитные Поля и строить картины поля.

Достоверность результатов аналитического моделирования проверялась путем сопоставления с имеющимися опубликованными данными, решения тестовых задач и их согласованности с положениями теории электрических машин и, наконец, численными расчетами по программе ЕЬСЦТ 5.1 разработки ПК «Тор» (г. Санкт-Петербург).

Научная новизна работы:

1. Разработан новый аналитический метод расчета магнитного поля в активных объемах явнополюсных электрических машин на основе цилиндрических слоистых моделей, включающих в себя сплошные дискретно-однородные цилиндрические подобласти, в которых магнитное поле описывается с помощью рядов по кусочно-непрерывным собственным функциям задачи Штурма-Лиувилля.

2. Впервые получены и решены дифференциальные уравнения для скалярного магнитного потенциала в цилиндрических структурах с постоянными магнитами клиновидной формы, намагниченными в продольном и поперечном направлении по отношению к рабочему зазору.

3. Разработан приближенный аналитический метод расчета единого магнитного поля в объеме машины с продольными (тангенциальными) магнитами при использовании одной первой кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля, позволяющий резко сократить объем математических преобразований при реализации метода в целом.

**■« и,' к !

' > * с >

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод аналитического расчета магнитного поля явнополюсных электрических машин в цилиндрической системе координат на базе суммы кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля.

2. Математические модели поля возбуждения синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе.

3. Приближенный метод аналитического расчета магнитного поля синхронных машин с продольно-намагниченными постоянными клиновидными магнитами на базе одной первой кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля.

4. Метод расчета коэффициента рассеяния на основе моделирования магнитного поля явнополюсной электрической машины.

Практическая ценность работы:

1. Разработан алгоритм реализации предлагаемого метода, включающий в себя формирование слоистой расчетной модели, общие решения дифференциальных уравнений для расчетных подобластей модели, перечень граничных условий и порядок составления системы линейных алгебраических уравнений для отыскания постоянных интегрирования.

2. Разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий вычислять скалярный и векторный магнитный потенциал, индукцию и напряженность магнитного поля, удельную энергию магнитов, энергию, индукцию и магнитный поток в рабочем зазоре, коэффициент рассеяния поля возбуждения, строить картины поля в активном объеме машины.

Апробация работы. Материалы исследований опубликованы в 6 статьях, были представлены в докладах на ежегодной научной сессии электромеханического факультета НГТУ 5 марта 2004 г. и 2 марта 2005 г., на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации НТИ - 2004» 4 декабря 2004 г.

Реализация результатов работы. Разработанные методы аналитического расчета магнитного поля в активных объемах электрических машин с постоянными магнитами применяются для исследования и оптимизации конструкции системы возбуждения синхронных генераторов в ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва), а также используются в лекционных курсах, курсовых и дипломных проектах студентов старших курсов и магистрантов электромеханического факультета НГТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и одного приложения. Работа содержит 154 страницы основного текста с 42 иллюстрациями и 6 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится исторический обзор классической теории электрических машин, обосновывается необходимость развития и уточнения положений классической теории на основе решения задачи о расчете единого магнитного поля в активном объеме машины.

В первой главе рассматриваются различные методы моделирования магнитного поля в объемах явнополюсных электрических машин. Проводится сравнительный анализ численных и аналитических методов. Показано, что известный аналитический метод моделирования магнитного поля явнополюсных машин, в основе которого лежит использование плоских разверток в декартовой системе координат и кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля, в ряде случаев не обеспечивает требуемой точности. Это обстоятельство требует разработки нового метода, позволяющего рассчитывать магнитное поле явнополюсной машины в цилиндрической системе координат.

Для осуществления аналитического расчета на ЭВМ выбран пакет МаЛСАОП, для численных расчетов - специализированное приложение ЕЬСиТ 5.1 разработки ПК «Тор» (г. Санкт-Петербург).

Во второй главе излагаются принципы построения слоистых моделей магнитного поля на основе плоской развертки объема электрической машины в декартовой системе координат, состоящие в следующем. Сначала каждая из конструктивных зон представляется в виде сплошной расчетной полосы с гладкими 1раницами. Каждая из этих зон-полос характеризуется усредненными однородными либо кусочно-однородными физическими свойствами и заданным распределением источников поля. Затем все расчетные зоны в порядке их конструктивного чередования сшиваются своими смежными границами (Рис. 1).

Предложен новый метод математического описания магнитного поля явнополюсных электрических машин на основе дискретно-однородной кольцевой подобласти, моделирующей явнополюсный ротор машины в цилиндрической системе координат. Приведен пример однослойной модели поля (Рис. 2). Полюса, магнитная проницаемость которых конечна и равна //у, и

межполюсные пространства образуют единую структуру с периодически изменяющимися магнитными свойствами. Магнитные свойства описываются кусочной функцией ц(а), график которой изображен на Рис. 3. Такое представление расчетной области позволяет сформировать единое дифференциальное уравнение для скалярного магнитного потенциала в дивергентной форме, описывающее магнитное поле как в полюсе, так и в межполюсном пространстве:

1А

г дг

дг

г да

г да

= 0. (1)

б

И," Ну» Нге Но

Их, Ну, Бет N

**ег |ио| ИвТно

% Но Нп Но

Но

Нх = Ну= НРе

(<0

Рис. 1. Поперечный разрез явиополюсной электрической машины (а) и слоистая расчетная модель в декартовой системе координат (б)

Рис. 2. Дискретно-однородная расчетная область, ограниченная гладкими цилиндрическими поверхностями.

Рис. 3. График распределения магнитной проницаемости в кольцевой расчетной области

На границах расчетной области распределение скалярного магнитного потенциала известно: при г = ^ потенциал задан функцией ср{г{,а), а при г = г2 потенциал обращается в нуль.

Дифференциальное уравнение (1) решается методом разделения переменных, и скалярный магнитный потенциал описывается выражением:

кШ

Гвшгаа приОаа < Д

[Кп сое л (в -а) при /) < а £ в

(2)

Постоянные п, Кп в (2) определяются из условия непрерывности потенциала и нормальной составляющей вектора индукции магнитного поля на границе «полюс-межполюсное пространство». Это условие приводит к решению известной задачи Штурма-Лиувилля, при этом функции втиа, Кп сгкл(© - а) являются собственными функциями, а числа п - собственными числами задачи Штурма-Лиувилля.

Собственные числа и являются корнями трансцендентного уравнения:

ш.

Мо

(3)

Постоянные К„ определяются выражением: ътп/З _ /¿о со

Кп=-

сов п(® - Р) цf вт п(& - Р)

(4)

Для определения постоянных Д„ в (2) использовано свойство ортогональности собственных функций задачи Штурма-Лиувилля, позволяющее установить взаимосвязь между постоянными Пп и заданным распределением потенциала при г = г^:

А.

\Р р. в 1

2-! Г^(г|,а)8тя£в/а + — К. Г<р(гиа)со5п(в-а)<1а\

Го ^ Р I

Г ч" г2

(5)

В третьей главе излагаются принципы аналитического моделирования магнитного поля в электрических машинах с постоянными магнитами.

Кривая размагничивания постоянного магнита аппроксимирована линейной функцией:

в-в0+^н, (6)

"о

где В о, Но - расчетные значения остаточной индукции и коэрцитивной силы.

В выражении (6) отношение остаточной индукции к коэрцитивной силе есть величина постоянная:

-¿--Hi-const. (7)

ио

При этом в расчетном смысле магнитная проницаемость магнита в направлении вектора намагниченности равна /i;, в перпендикулярном направлении магнитная проницаемость магнита равна .

При аналитическом расчете магнитного поля в цилиндрической системе координат объем постоянного магнита ограничивается координатными поверхностями, и в этом случае магнит имеет клиновидную форму. Распределение вектора намагниченности в теле магнита, с одной стороны, не должно противоречить основным законам магнитостатики, с другой стороны, должно приводить к возможно более простому решению задачи, откуда следует, что остаточная индукция обратно пропорциональна радиусу клиновидного магнита, а тело магнита характеризуется семейством линеаризованных кривых размагничивания (6), с постоянным углом наклона к осям В и Я.

Представлена аналитическая модель поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами на роторе, намагниченными в радиальном направлении, то есть поперечно рабочему зазору (Рис. 4). Расчетная область разделена на две зоны: зону «полюс-межполюсное пространство», характеризующуюся дискретно-однородными магнитными свойствами (зону 1), и зону рабочего зазора (зону 2). Зона 1 и зона 2 располагаются между двумя идеальными ферромагнетиками - ярмом ротора и гладким статором.

В качестве источника поля задана кусочная функция, описывающая периодическое изменение остаточной индукции в зоне 1:

В0(г,а) =

О щтОла<0

Д°(Г2)Г2при /?<«*©'

(8)

где В0(г2) - значение остаточной индукции магнита при радиусе г2.

В зоне 1 магнитное поле описывается дифференциальным уравнением:

г2 Э2<г>1 | | Мо Д2^ дг2 дг Мг(а) да2

где

М<*)'

Мо

при 0 й а < ¡3

пп

(9)

(10)

Кусочная функция (10) описывает периодическое изменение магнитных свойств в зоне 1.

В зоне 2 магнитное поле описывается уравнением Лапласа:

ггд2<р2 [гд<р2 | Ьг(рг ц0

дг'

дг аа2

Уравнения (9,11) решены методом разделения переменных:

(П)

<Р]{г,а) ■■

1Сп

г \п г

вш па

при0 на < Р

Ъспкп

п

<р2(г,а)

со ей I—(®-а)при р< а 0

= 2 Рт

/я»1Д5...

где р - число пар полюсов машины.

тр

тр

вш тра,

(12)

(13)

Постоянные п, С„, Кп, Рт в (12, 13) определяются из условия непрерывности потенциала и нормальной составляющей вектора индукции на границах раздела сред.

1*1а(г>а)~---

г да

I

Для проверки созданной математической модели проведен сравнительный анализ расчета поля возбуждения в декартовой и цилиндрической системах координат. Сравнение расчетов показывает, что при увеличении кривизны системы (когда полюсное деление соизмеримо с радиусом ротора) целесообразно переходить от декартовых координат к цилиндрическим. Напротив, при увеличении радиуса и числа полюсов машины плоская развертка не вносит в результат моделирования заметных искажений и с успехом может использоваться в инженерной практике.

Как известно, в классической теории электрических машин магнитный поток в активном объеме машины принято считать состоящим из двух частей: рабочего потока и потока рассеяния. При строгом подходе разделение общего потока на отдельные составляющие представляет собой сложную задачу, требующую использования громоздких вычислительных методов. В инженерной практике поток рассеяния определяется через коэффициент рассеяния. Анализ картин поля, рассчитанных аналитически, позволяет определить именно те поверхности, которые пронизываются потоком, уходящим в статор (рабочий поток) и потоком, в статор не проникающим (поток рассеяния), и вычислить коэффициент рассеяния с помощью интегрирования соответствующих составляющих вектора магнитной индукции. Расчет обладает высокой точностью и вместе с тем достаточно прост для использования в инженерной практике.

В четвертой главе рассматривается математическая модель поля возбуждения синхронной машины с тангенциальными магнитами (Рис. 5). Постоянные магниты, намагниченные в тангенциальном направлении по отношению к рабочему зазору, и полюса-концентраторы из магнитомягкой стали с конечной магнитной проницаемостью расположены между двумя идеальными

ферромагнетиками (валом ротора и гладким статором) и отделены от них двумя немагнитными зазорами. Таким образом, расчетная область разделена на три зоны: внутреннюю немагнитную зону (зона 0), дискретно-однородную зону магнитов и полюсов (зона 1) и зону рабочего зазора (зона 2).

В зоне 1 магнитное поле описывается дифференциальным уравнением:

И

Рис. 5. Расчетная модель синхронной машины с тангенциальными магнитами

где

В0(г,а) цг{а)

В0(г) = — при Os а< р г

О при ^<as0

//0 при0<.а< Р /Uf прир<а&В'

D /г\

^ = r г / - const при 0 s а < р

Н0(г)

(16)

(17)

(18)

Я/

при р<ал&

Кусочные функции (16-18) описывают периодическое изменение магнитных свойств в зоне 1.

В зоне 0 и зоне 2 поле описывается уравнением Лапласа:

2 дг<р дд> дг<р . дг2 &г да2

Решения уравнений (15, 19) имеют вид:

(19)

<Р\{г,а)<

C*a + Z

i

f \п

sin п —а приО sa<P S Mi

( \п í ï

.(20)

cos/i(© - а) при Р <а s ®

Фо (г,а) - 2 рп, т-1Д5...

П(г,а)- 2 Рт т- 1Д5...

. тР / . тр

.''О

Г"

/ . тр г

вт /праг.

ят тра.

(21)

(22)

В зоне 1 составляющие вектора индукции связаны с потенциалом следующими соотношениями:

Щ Лг,а)-~мг(а)

Ь<Р\

дг

В1а(г,а)'В0(г,а)-

г да

(23)

В немагнитных областях (зона 0 и зона 2):

д<р

Вг(г,а)--Мо

дг

Ва(г,а) = -О**-г да

(24)

Постоянные п, , С„, £>„, К„, Рт, Рт в (20-22) определяются из условия непрерывности потенциала и нормальной составляющей вектора индукции на границах раздела сред.

Также в настоящей главе приводится приближенное решение данной задачи, полученное автором на основании аргументированного допущения о том, что скалярный магнитный потенциал и индукция в системе «магнит-полюс» достаточно точно описываются лишь одной первой кусочной собственной функцией задачи Штурма-Лиувилля.

Решение уравнения (15), содержащее лишь одну кусочную собственную функцию, имеет следующий вид:

С:а +

с*р+к

¡кг

«О

вши а

приО *а< Р

соя л (в - а) при /?<«*(

*

Постоянные п, С], С, О, К в (25) определяются из условия непрерывности потенциала и нормальной составляющей вектора индукции на границах раздела сред. В немагнитных областях скалярный магнитный потенциал описывается выражениями (21, 22).

Сравнение картин поля и графиков распределения индукции по сечениям активного объема, полученным при расчете по сумме кусочных функций и по одной кусочной функции, свидетельствует об их совпадении с приемлемой для практики точностью (не более 5%).

В пятой главе представлены результаты расчета системы возбуждения авиационного магнитоэлектрического синхронного генератора специального назначения разработки ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва). Генератор представляет собой электрическую машину с призматическими тангенциальными магнитами на роторе. Его поперечное сечение схематично изображено на Рис. 6.

Рис. 6. Синхронный генератор с призматическими тангенциальными магнитами на роторе

Поле возбуждения и параметры генератора рассчитывались с помощью трех различных моделей: одной аналитической (использующей расчет по сумме нескольких кусочных функций) и двух численных. Во всех трех моделях поверхность статора, обращенная к рабочему зазору, предполагалась гладкой.

При этом рабочий зазор считался расчетным, как это принято в классической теории электрических машин.

При аналитическом моделировании призматические магниты заменены клиновидными таким образом, чтобы эквивалентный клиновидный магнит имел тот же объем, что и исходный призматический. При этом можно считать, что энергия магнита остается практически неизменной.

Численные модели отличаются формой постоянного магнита: в одной модели магнит имеет клиновидную форму, в другой - призматическую Таким образом, конфигурация одной из численных моделей полностью повторяет конфигурацию модели аналитической. Вторая численная модель соответствует реальной конфигурации постоянного магнита. При численном моделировании нелинейные магнитные свойства плюсов заданы кривой намагничивания стали Характеристика размагничивания постоянного магнита линейна, а вектор намагниченности направлен перпендикулярно оси симметрии магнита.

На Рис. 7, Рис. 8 показаны кривые индукции на поверхности гладкого статора, рассчитанные численно и аналитически. Сравнение средних значений индукции на полюсном делении позволяет сделать вывод об эквивалентности трех моделей. Об эквивалентности моделей также свидетельствует сравнение картин поля, рассчитанных численно и аналитически.

В связи с тем, что расчетная величина рабочего зазора оказывает существенное влияние на выходные характеристики генератора, была проведена серия аналитических и численных расчетов параметров генератора при изменении величины рабочего зазора. Получены зависимости: удельной энергии магнитов, энергии, индукции и магнитного потока в рабочем зазоре, коэффициента рассеяния - от величины рабочего зазора. Анализ этих зависимостей позволяет сделать вывод, что аналитический расчет магнитного поля генератора хорошо согласуется с численными расчетами и полностью соответствует положениям как классической теории электрических машин, так и теории машин с постоянными магнитами. Эти зависимости используются в ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва) при исследованиях режимов работы генераторов и для оптимизации их конструкции.

В(г3,а)7л ^ В(г3,а)Тл

2

1.5 1

0.5 0

1.7126

г

2 1.5 1

0.5 О

<■— 1.6 122

/ \

/ \

\

(б)

Рис. 7. Численный расчет индукции магнитного поля на поверхности статора: а) клиновидный магнит; б) призматический магнит.

2

1,5 1

0.5 0

Л

Рис. 8. Аналитический расчет индукции магнитного поля на поверхности статора (клиновидный магнит)

В процессе проведения расчетов проявились преимущества разработанного аналитического метода моделирования магнитного поля перед численными методами, такие как возможность быстро менять алгоритм вычислительного эксперимента, возможность использовать метод для решения более сложных задач без значительного усложнения расчетного алгоритма.

Все перечисленное выше позволяет рекомендовать разработанный аналитический метод моделирования магнитного поля в активных объемах явно-полюсных электрических машин для применения в научной и инженерной практике.

Основные выводы по работе:

1. Разработан метод аналитического расчета магнитного поля в активных объемах явнополюсных электрических машин. Метод основан на представлении периодической структуры «полюс-межполюсное пространство» в виде единой дискретно-однородной кольцевой подобласти электрической машины, в которой формируются и решаются дифференциальные уравнения в

частных производных на базе кусочно-непрерывных собственных функций •

задачи Штурма-Лиувилля. Разработанный метод отличается тем, что в нем

задачи теории поля решаются в цилиндрической системе координат, что в

ряде случаев существенно повышает точность расчета параметров машины. )

2. На основании законов магнитостатики впервые получены дифференциальные уравнения для скалярного магнитного потенциала в дискретно-однородных цилиндрических структурах с постоянными магнитами клиновидной формы при их радиальной и тангенциальной намагниченности, имеющие достаточно простые аналитические решения.

3. При использовании дифференциальных уравнений п. 2 созданы математические модели поля возбуждения синхронных электрических машин с постоянными магнитами. Магниты располагаются на роторе и могут быть намагничены как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. Математические модели позволяют исследовать магнитное поле не только в немагнитных и ферромагнитных областях системы, но и в теле магнитов.

Щ>а)Та

1.7284

/ \

1 г 1

/ \

/ / \ ч

а

4. Предложен оригинальный и более точный по сравнению с существующими метод определения коэффициента рассеяния, в основу которого положен аналитический расчет поля возбуждения явнополюсной электрической машины с постоянными магнитами.

5. Предложен приближенный метод аналитического моделирования магнитного поля при использовании лишь одной кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля, что позволило резко сократить объем рутинных математических операций при исследовании магнитного поля в многослойных структурах явнополюсных электрических машин.

6. Проведен сравнительный анализ аналитических расчетов магнитного поля явнополюсных электрических машин в декартовой и цилиндрической системах координат. Показано, что при увеличении кривизны расчетной области (когда полюсное деление соизмеримо с радиусом ротора) целесообразно переходить от плоской развертки активного объема машины к его представлению в виде дискретно-однородной кольцевой структуры в цилиндрической системе координат.

7. Проведен сравнительный анализ аналитического и численных расчетов поля возбуждения синхронного генератора с постоянными магнитами. Показано, что результаты аналитического расчета хорошо согласуются с результатами численных расчетов и полностью соответствуют положениям классической теории электрических машин.

8. Проведена серия расчетов параметров синхронного генератора с постоянными магнитами при изменении величины его рабочего зазора. Получены зависимости: удельной энергии магнитов, энергии, индукции и магнитного потока в рабочем зазоре, коэффициента рассеяния - от величины рабочего зазора. В настоящее время эти зависимости используются при исследованиях режимов работы генераторов и оптимизации их конструкции в ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва).

Содержание диссертации опубликовано в 6 работах:

1. Инкин А.И., Бланк A.B. Математическое описание магнитного поля в дискретно-однородной цилиндрической подобласти на базе кусочно-непрерывных собственных функций// Научный вестник НГТУ. - 2002 -№2(13).-С. 155-161.

2. Бланк А В Аналитический расчет коэффициента рассеяния электрической машины с постоянными магнитами// Сборник научных трудов НГТУ. -2004-№1(35).-С. 73-78.

3. Инкин А И., Бланк A.B. Аналитический расчет поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами на роторе // Электричество. - 2004. -№8.-С. 44-46

4. Бланк A.B. Аналитический расчет поля возбуждения синхронной машины на базе одной кусочно-непрерывной собственной функции// Сборник научных трудов НГТУ. - 2004 - №4(38). - С. 3-8-

5. Инкин А.И., Бланк A.B. Формирование дифференциального уравнения для скалярного магнитного потенциала в клиновидных образцах постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностью в системах возбуждения электрических машин//Сборник научных трудов НГТУ. -2005.-№1.-С. 63-70.

6 Инкин А.И., Бланк A.B. Общее решение дифференциального уравнения для скалярного магнитного потенциала в клиновидных образцах постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью в системах возбуждения электрических машин//Сборник научных трудов НГТУ. - 2005. - №1 - С. 71-80.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел.46-08-57 формат 60x84/16, объем 1,25 п.л., тираж 100 экз., заказ № 561 , подписано в печать 26.04.05г.

РНБ Русский фонд

2006-4 11075

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В

ОБЪЕМАХ ЯВНОПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ.

1.1. Численные и аналитические методы математического моделирования магнитного поля.

1.2. Аналитическое моделирование магнитного поля на базе кусочно-непрерывных собственных функций и его программная реализация.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ДИСКРЕТНО-ОДНОРОДНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ В МОДЕЛИРОВАНИИ АКТИВНЫХ ОБЪЕМОВ ЯВНОПОЛЮСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

МАШИН.

2.1. Слоистая расчетная модель активного объема явнополюсной машины.

2.2 Математическое моделирование кольцевой дискретно-однородной области «полюс межполюсное пространство».

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ПОПЕРЕЧНОЙ

НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ.

3.1. Математическая модель поля возбуждения.

3.2. Сравнительный анализ расчета поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами в декартовой и цилиндрической системах координат.

3.3. Построение картины поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами.

3.4. Коэффициент рассеяния поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ С ПРОДОЛЬНОЙ

НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ.

4.1. Математическая модель поля возбуждения.

4.2. Разработка приближенного метода моделирования поля возбуждения при использовании одной кусочной функции.

4.3. Математическое описание поля возбуждения синхронной машины с тангенциальными магнитами.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

АВИАЦИОННОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

5.1. Постановка задачи и исходные данные.

5.2. Алгоритм расчета поля возбуждения генератора.

5.3. Численный и аналитический расчет поля возбуждения генератора.

5.4. Расчет основных параметров системы возбуждения генератора при изменении величины рабочего зазора.

5.4.1. Распределение индукции в рабочем зазоре.

5.4.2. Удельная энергия постоянных магнитов.

5.4.3. Максимальная энергия в рабочем зазоре.

5.4.4. Магнитный поток в зазоре и коэффициент рассеяния.

5.4.5. Результаты расчетов.

ВЫВОДЫ.

Одна из главных задач электромеханики - создание таких методов исследования электромеханических систем, которые были бы адекватны современным требованиям, предъявляемым к преобразователям энергии. Вместе с тем, за последние десятилетия требования эти чрезвычайно ужесточились. Это неизбежное следствие технического прогресса поставило современную электромеханику, если и не в критическое, то во всяком случае, в весьма затруднительное положение. Отсутствие новых методов исследования особенно заметно при создании таких типов электрических машин, в которых неправомерно использование обычных допущений, характерных для классической теории.

Положения классической теории электрических машин часто не обеспечивают той точности описания физических процессов, которая необходима в инженерной практике. Эта проблема всегда была актуальной для электромеханики. Например, в 1972 г. в докладе на сессии общего собрания Академии наук Латвийской ССР [3] известный ученый академик В. В. Апсит говорил о том, что классическая теория электрических машин базируется на теории гладкого якоря, гармоническом анализе МДС обмоток и методе удельной магнитной проводимости. Эти три основных положения определены на основе упрощенной модели, характеризующейся гладким статором и ротором, равномерным зазором и ненасыщенной магнитной системой, и только в этом идеализированном случае вышеназванные положения приводят к правильным результатам.

Известны также и более резкие суждения по этому поводу одного из основоположников электромеханики Б. Хэга, писавшего еще в 1934 г. [94], что теория гармонических МДС является лишь первым приближением в моделировании электрической машины, ведущем к физически неправильному взгляду на истинную природу магнитного поля.

Совершенно очевидно, что решение проблемы может быть получено в два этапа: на первом этапе должна быть решена задача о расчете единого магнитного поля во всем активном объеме машины, второй же этап — это выработка новых допущений и критериев для уточнения существующей классической теории. Эти две задачи тесно связаны между собой и имеют давнюю историю в теории электрических машин.

Как и вся теоретическая электротехника, теория электрических машин с самого начала развивалась в двух направлениях: в основе одного из них лежала теория электрических цепей, в основе другого - теория электромагнитного поля. Причем исторически методы теории цепей начли использоваться для анализа и расчета электрических машин раньше методов теории электромагнитного поля. Объяснить это можно тем, что теория электрических цепей не требовала применения в расчетах уравнений Максвелла и свойственного им специфического математического аппарата.

Одним из ярких достижений первого направления по праву можно считать общую теорию электромеханического преобразования энергии, часто называемую обобщенной или матричной теорией. Последнее подразумевает, что в ее изложении используется математический аппарат дифференциальной геометрии многомерных пространств, тензорного анализа и матричной алгебры.

В обобщенной теории любая электрическая машина рассматривается как совокупность взаимно перемещающихся, связанных магнитно электрических цепей с сосредоточенными параметрами. В допущениях обычно пренебрегают такими физическими явлениями, как насыщение, гистерезис, магнитные потери, высшие гармоники. Это оправдано, если рассматриваются динамические режимы, в особенности, когда электрическая машина работает в сложной электромеханической или энергетической системе.

Ключевым понятием обобщенной теории является так называемая обобщенная электрическая машина [59] — математическая модель электрических машин практически всех типов, ее дифференциальные уравнения и их координатные преобразования. Дифференциальные уравнения дают более универсальное описание электрических машин, чем алгебраические: они содержат мгновенные значения переменных и справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов. Развивая идею обобщенной электрической машины, И. П. Копылов в 1963 г. предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя, которая описывается дифференциальными уравнениями для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, при учете любого числа контуров обмоток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров [60].

Значительный вклад в развитие обобщенной теории и ее использование для анализа переходных и установившихся режимов работы электрических машин, устойчивости электромеханических и энергетических систем внесли отечественные исследователи: Д. А. Бут, А. И. Важнов, В. А. Веников, И. А. Глебов, А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов, Р. А. Лютер, Л. Г. Мамиконянц, С. В. Страхов, И. И. Трещев, И. Д. Урусов, Н. Н. Щедрин, Ф. М. Юферов, А. А. Янко-Триницкий и др. [20-25, 28, 38-40, 59, 60, 63-65, 88, 91,93,99,103,104].

Второе направление в теоретической электромеханике, основанное на теории электромагнитного поля, появилось на несколько десятилетий позже первого. Так, если первой публикацией по теории электрических машин принято считать работу Э. Арнольда, вышедшую в 1891 г., то одна из первых статей по электромеханике, посвященная расчету поля в асинхронной машине (это была статья И. С. Брука в журнале «Вестник теоретической и экспериментальной электротехники»), появилась лишь в 1928 г. [54], когда уже достаточно глубоко была разработана теория установившихся режимов электрических машин. Однако, начиная с 30-х годов XX в., это направление в теории электрических машин стремительно развивается. Причиной тому не только появление новых математических методов, а в дальнейшем - и появление новой вычислительной техники, но и возросшие требования к электрическим машинам. Только глубокое понимание физической природы электромагнитных процессов может стать основой для создания принципиально новых электромеханических устройств. Такое глубокое понимание дает теория электромагнитного поля.

Решающее значение в области приложения теории электромагнитного поля к электромеханике имели труды JI. Р. Неймана, А. И. Вольдека, К. С. Демирчяна, В. В. Апсита, А. В. Иванова-Смоленского, Я. Б. Данилевича, Б. С. Зечихина, В. М. Юринова, Г. А. Сипайлова, О. Н. Веселовского, В. М. Казанского, А. И. Инкина и др. [71-73, 27,101, 33, 2, 3, 100, 38-40, 31, 96, 36, 37,102, 84, 85, 26, 56, 41-46, 51-53].

Современная теория электромагнитного поля физически объясняет все электромагнитные процессы, протекающие в электрических цепях, и служит основой для расчета интегральных параметров цепей. И с этой точки зрения использование теории электромагнитного поля для исследования электрических машин имеет более фундаментальный характер, нежели применение теории цепей, однако в большинстве случаев задачи на основе теории поля намного сложнее задач теории цепей. Именно это обстоятельство определило область применения теории электромагнитного поля: ее использование необходимо тогда, когда перестают работать допущения, введенные на основе теории цепей. Чрезвычайную важность также имеет задача синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля. В этой задаче пересекается теория поля и теория цепей.

Синтезу схем замещения электрических машин посвящены работы

A. И. Вольдека, В. М. Юринова, В. М. Казанского, Ю. Г. Бухгольца,

B. Н. Родыгина, А. И. Инкина, 3. С. Темляковой, Б. В. Литвинова [27, 102, 56, 45,46,51-53].

Выдающимся достижением в области синтеза схем замещения электрических машин на основе расчета электромагнитного поля является метод зуб-цовых контуров, разработанный под руководством А. В. Иванова-Смоленского [39, 92].

Только на основе теории электромагнитного поля возможно выработать критерии для уточнения и дополнения классической теории электрических машин, поэтому исследования в этой области являются как никогда актуальными в настоящее время.

Большой вклад в разработку теории электромагнитного поля в электромеханике внес А. И. Инкин. Известны его работы, посвященные исследованию электромагнитного поля и синтезу схем замещения явнополюсных и неявно-полюсных электрических машин, а также машин с составными активными объемами [26, 41-53].

Данная диссертационная работа являет собой развитие идей А. И. Инкина в области аналитического моделирования магнитного поля в активном объеме явнополюсных машин на базе слоистых расчетных моделей. Результатом работы стал новый метод аналитического расчета магнитного поля явнополюсных машин.

Явнополюсные машины - это очень распространенный тип электрических машин. Явнополюсными выполняются крупные тихоходные машины (например, гидрогенераторы), также явнополюсными могут быть машины постоянного тока, коллекторные машины переменного тока и асинхронные машины с фазным ротором [59].

Явнополюсные машины отличает ярко выраженная неравномерность магнитного поля в рабочем объеме. Очевидно, такая неравномерность сказывается на работе машины в целом и затрудняет ее проектирование, так как в случае строгого рассмотрения явнополюсной машины с позиций классической теории к ней нельзя применить исходную гипотезу о синусоидальном распределении на полюсном делении МДС и поля реакции якоря. Как известно, с целью устранения этого противоречия в классической теории электрических машин применяется метод двух реакций, предложенный в 1895 г. А. Блонделем [54], а реальное распределение магнитного поля заменяется синусоидальным. Так как синусоидальное распределение кривой поля более предпочтительно, реальную кривую стараются приблизить к синусоиде, применяя для этого специальные конструкции полюсов и полюсных наконечников [19, 83].

Все вышесказанное означает, что применительно к явнополюсным электрическим машинам задачу об исследовании магнитного поля следует считать одной из самых насущно необходимых.

Очень часто в электрических машинах ротор выполняется явнополюсным при неявнополюсном статоре. Как показывает практика, магнитное поле в такой машине можно смоделировать с помощью двуслойной расчетной модели. При этом получается выгодное сочетание малой погрешности моделирования и относительной несложности математической модели.

В современной электромеханике существует особый тип явнополюсных электрических машин - это электрические машины с постоянными магнитами [20, 21, 75]. Основное их преимущество состоит в том, что в таких машинах не надо создавать поле возбуждения с помощью обмоток, другими словами, тратить дополнительную энергию, а также, что особенно важно, подводить эту энергию извне. В случае синхронной машины с неподвижным якорем это означает отсутствие у машины наиболее уязвимых деталей конструкции — контактных колец и трущихся электрических контактов.

Анализ литературных источников свидетельствует о большом интересе исследователей к этому типу машин как в нашей стране [20, 21, 31, 55, 66], так и за рубежом [110-113]. Вместе с тем, количества работ, посвященных исследованию магнитного поля в машинах с постоянными магнитами, явно недостаточно.

Именно поэтому в настоящей работе основное внимание уделяется такому типу машин. Предлагаемая методика моделирования магнитного поля в машинах с постоянными магнитами отличается относительной простотой, гибкостью, универсальностью в сочетании с низкой погрешностью, что позволит создать на ее основе инженерную методику расчета электрических машин с постоянными магнитами.

Актуальность темы. Ужесточение требований к технико-экономическим показателям электрических машин приводит к необходимости уточнять, дополнять и развивать существующие методы теории электрических машин. Одно из перспективных направлений при расчетах электромагнитных характеристик и соответствующих параметров электрических машин связано с аналитическими исследованиями единого магнитного поля в их активных объемах.

Весьма актуальными следует считать задачи об аналитическом расчете магнитного поля в объемах явнополюсных электрических машин, ввиду сложности математической постановки и самого их решения часто сопровождаемые допущениями, приводящими к нежелательным погрешностям.

Одно из таких допущений, в частности, предусматривает «развертку» цилиндрической машины с последующим использованием при анализе магнитного поля декартовой системы координат. И если в неявнополюсных машинах (особенно при относительно малых размерах конструктивных зон, таких как воздушные зазоры, зубцово-пазовые структуры и ярма) развертка активного объема представляется естественной и не приводит к заметным погрешностям, то в электрических машинах с явновыраженными полюсами она может привести к серьезным искажениям картины магнитного поля и, как следствие, к ощутимым погрешностям при расчете интегральных характеристик машины.

Использование развертки явнополюсной машины позволило коллективу кафедры теоретических основ электротехники НГТУ (НЭТИ) разработать оригинальный метод расчета единого магнитного поля машины, с применением плоских слоистых расчетных моделей, в которых конструктивные структуры полюсов и межполюсных пространств представлялись в виде сплошных полос с периодически изменяющимися дискретно-однородными физическими свойствами. Этот метод хорошо зарекомендовал себя при решении многих конкретных задач, однако, его возможности оказались ограниченными именно по причине использования базового допущения, связанного с переходом от цилиндрической структуры активного объема машины к его плоскому расчетному представлению.

Устранение указанного недостатка требует постановки и аналитического решения качественно новых задач теории поля при допущениях, исключающих необходимость развертки цилиндрической машины и использования ее плоских слоистых моделей, то есть по существу разработки нового специального метода расчета единого магнитного поля в активных объемах явнопо-люсных электрических машин цилиндрического исполнения.

Цель работы и задачи исследования:

1. Разработать аналитический метод моделирования магнитного поля в активном объеме явнополюсных электрических машин в цилиндрической системе координат и его программную реализацию.

2. Разработать математические модели поля возбуждения электрических машин с постоянными магнитами клиновидной формы.

3. Произвести сравнительный анализ математических моделей магнитного поля синхронных машин с постоянными магнитами в декартовой и цилиндрической системах координат.

4. Реализовать расчет поля возбуждения магнитоэлектрического синхронного генератора специального назначения разработки ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва).

Объект исследования:

1. Явнополюсные электрические машины цилиндрического исполнения.

2. Синхронные магнитоэлектрические генераторы специального назначения.

Методы исследования. Исследование магнитного поля проводилось с помощью математического моделирования в дискретно-однородных слоистых структурах на основе решения системы уравнений магнитостатики в цилиндрических координатах методом разделения переменных с применением кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля.

В целях реализации математической модели автором были написаны программы для ЭВМ в среде MathCAD 11, позволяющие рассчитывать магнитные поля и строить картины поля.

Достоверность результатов аналитического моделирования проверялась путем сопоставления с имеющимися опубликованными данными, решения тестовых задач и их согласованности с положениями теории электрических машин и, наконец, численными расчетами по программе ELCUT 5.1 разработки ПК «Тор» (г. Санкт-Петербург).

Научная новизна работы:

1. Разработан новый аналитический метод расчета магнитного поля в активных объемах явнополюсных электрических машин на основе цилиндрических слоистых моделей, включающих в себя сплошные дискретно-однородные цилиндрические подобласти, в которых магнитное поле описывается с помощью рядов по кусочно-непрерывным собственным функциям задачи Штурма-Лиувилля.

2. Получены и решены дифференциальные уравнения для скалярного магнитного потенциала в цилиндрических структурах с продольными и поперечными постоянными магнитами клиновидной формы.

3. Разработан приближенный аналитический метод расчета единого магнитного поля в объеме машины с продольными (тангенциальными) магнитами при использовании одной первой кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля, позволяющий резко сократить объем математических преобразований при реализации метода в целом.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод аналитического расчета магнитного поля явнополюсных электрических машин в цилиндрической системе координат на базе суммы кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля.

2. Математические модели поля возбуждения синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе.

3. Приближенный метод аналитического расчета магнитного поля синхронных машин с продольно-намагниченными постоянными магнитами на базе одной первой кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля.

4. Метод расчета коэффициента рассеяния на основе результатов моделирования магнитного поля явнополюсной электрической машины.

Практическая ценность работы:

1. Разработан алгоритм реализации предлагаемого метода, включающий в себя формирование слоистой расчетной модели, общие решения дифференциальных уравнений для расчетных подобластей модели, перечень граничных условий и порядок составления системы линейных алгебраических уравнений для отыскания постоянных интегрирования.

2. Разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий вычислять скалярный и векторный магнитный потенциал, индукцию и напряженность магнитного поля, удельную энергию магнитов, энергию, индукцию и магнитный поток в рабочем зазоре, коэффициент рассеяния поля возбуждения, строить картины поля в активном объеме машины.

Апробация работы. Материалы исследований опубликованы в 6 статьях [12,13,47-50], были представлены в докладах на ежегодной научной сессии электромеханического факультета НГТУ 5 марта 2004 г. и 2 марта 2005 г., на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации НТИ - 2004» 4 декабря 2004 г.

Реализация результатов работы. Разработанные методы аналитического расчета магнитного поля в активных объемах электрических машин с постоянными магнитами применяются для исследования и оптимизации конструкции системы возбуждения синхронных генераторов в ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва), а также используются в лекционных курсах, курсовых и дипломных проектах студентов старших курсов и магистрантов электромеханического факультета НГТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и одного приложения. Работа содержит 154 страницы основного текста с 42 иллюстрациями и 6 таблицами.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработан метод аналитического расчета магнитного поля в активных объемах явнополюсных электрических машин. Метод основан на представлении периодической структуры «полюс-межполюсное пространство» в виде единой дискретно-однородной кольцевой подобласти электрической машины, в которой формируются и решаются дифференциальные уравнения в частных производных на базе кусочно-непрерывных собственных функций задачи Штурма-Лиувилля. В ранее существовавшем методе эта структура представлялась в виде плоской развертки, а задачи решались в декартовой системе координат. Разработанный метод отличается тем, что в нем задачи теории поля решаются в цилиндрической системе координат, что в ряде случаев существенно повышает точность расчета различных параметров машины

2. На основании законов магнитостатики впервые получены дифференциальные уравнения для скалярного магнитного потенциала в дискретно-однородных цилиндрических структурах с постоянными магнитами клиновидной формы при их радиальной и тангенциальной намагниченности, имеющие достаточно простые аналитические решения.

3. При использовании дифференциальных уравнений п. 2 созданы математические модели поля возбуждения синхронных электрических машин с постоянными магнитами. Магниты располагаются на роторе и могут быть намагничены как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. Математические модели позволяют исследовать магнитное поле не только в немагнитных и ферромагнитных областях системы, но и в теле постоянных магнитов.

4. Предложен оригинальный и более точный по сравнению с существующими метод определения коэффициента рассеяния, в основу которого положен аналитический расчет поля возбуждения явнополюсной электрической машины с постоянными магнитами.

5. Предложен приближенный метод аналитического моделирования магнитного поля при использовании лишь одной кусочно-непрерывной собственной функции задачи Штурма-Лиувилля, что позволило резко сократить объем рутинных математических операций при исследовании магнитного поля в многослойных структурах явнополюсных электрических машин.

6. Проведен сравнительный анализ аналитических расчетов магнитного поля явнополюсных электрических машин в декартовой и цилиндрической системах координат. Показано, что при увеличении кривизны расчетной области (когда полюсное деление соизмеримо с радиусом ротора) целесообразно переходить от плоской развертки активного объема машины к его представлению в виде дискретно-однородной кольцевой структуры в цилиндрической системе координат.

7. Проведен сравнительный анализ аналитического и численных расчетов поля возбуждения синхронного генератора с постоянными магнитами. Показано, что результаты аналитического расчета хорошо согласуются с результатами численных расчетов и полностью соответствуют положениям классической теории электрических машин.

8. Проведена серия расчетов параметров синхронного генератора с постоянными магнитами при изменении величины его рабочего зазора. Получены зависимости: удельной энергии магнитов, энергии, индукции и магнитного потока в рабочем зазоре, коэффициента рассеяния — от величины рабочего зазора. В настоящее время эти зависимости используются при исследованиях режимов работы генераторов и оптимизации их конструкции в ОАО АКБ «Якорь» (г. Москва).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алексидзе М.А. Фундаментальные функции в приближенных решениях граничных задач. М.: Наука, 1991. - 352 е., ил.

2. Апсит В.В. Общие принципы и возможные практические пути исследования и расчета магнитных полей в электрических машинах. — Рига: Зинат-не, 1971.-58 с.

3. Апсит В.В. Проблемы исследования магнитных полей в электрических машинах // Известия АН Латвийской ССР. 1972. - №3. - С. 79-89.

4. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1964. - 287 е., ил.

5. Афанасьев А.А., Воробьев А.Н. Расчет магнитного поля и потерь в турбосдвигателе при его питании от сети и преобразователя частоты // Электричество. 1998. - №12. - С. 28-37.

6. Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер-пресс, 2002. — 223 е., ил.

7. Бахвалов Н.С. Численные методы: Учеб. пособие для вузов. Ч. 1. - 2-е изд. - М.: Наука, 1975. - 632 е., ил.

8. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. — М.: Наука, 1987.-600 с.

9. БерезинИ.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. 3-е изд., перераб. и доп. - Ч. 1. - М.: Наука, 1966. - 632 с.

10. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1964. — 750 с.

11. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле 7-е изд., перераб и доп. - М.: Высшая школа, 1978. - 231 е., ил.

12. Бланк А.В. Аналитический расчет коэффициента рассеяния электрической машины с постоянными магнитами// Сборник научных трудов НГТУ. 2004 -№1(35). - С. 73-78.

13. Бланк А.В. Аналитический расчет поля возбуждения синхронной машины на базе одной кусочно-непрерывной собственной функции// Сборник научных трудов НГТУ. 2004 - №4(38). - С. 3-8.

14. Бланк А.В. Математическое описание поперечного поля реакции якоря машины постоянного тока на базе кусочно-непрерывных собственных функций// Сборник научных трудов НГТУ. 2003 - №3(33). - С. 3-8.

15. Блехман И.И., Мышкис А.Д., Пановко Я.Г. Механика и прикладная математика: Логика и особенности приложений математики. — М.: Наука, 1983. 328 е., ил.

16. Боголюбов А.Н. Задачи по математической физике: Учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МГУ, 1998. - 349 с.

17. Борисов А.А., Мамаев И.С. Динамика твердого тела. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 384 с.

18. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. 9-е изд. - М.: Физматгиз, 1962. - 608 е., ил.

19. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. Ч. 1,2.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987.

20. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1990. - 416 с.

21. БутД.А., Голубев С.В. Электрические машины без стального магнито-провода// Электричество. 2002. - №5. - С. 41-52.

22. ВажновА.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — JL: Энергия, 1980. 256 е., ил.

23. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1949. - 168 е., ил.

24. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. M.-JL: Госэнергоиздат, 1958. - 488 е., ил.

25. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1984. — 439 е., ил.

26. Вольдек А.И. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре явнопо-люсных синхронных машин методом гармонических проводимостей // Электричество. 1966. - №7. - С. 46-52.

27. Глебов И.А., Шулаков Н.В., Крутяков Е.А. Проблемы пуска сверхмощных синхронных машин. — JI.: Наука, 1988. 197 е., ил.

28. Громадка II Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах / Пер. с англ. А.С.Кравчук, Е.Р.Ахунджанов. М.: Мир, 1990.-303 е., ил.

29. Гурский Д.А. Вычисления в MathCad. Минск: Новое знание, 2003. — 814 е., ил.

30. Данилевич Я.Б., Штайнле Л.Ю., Сапожников В.А. Синхронный генератор с постоянными магнитами для гидравлической турбины небольшой мощности // Электротехника. 2002. - №1. - С. 28-30.

31. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа / Под ред. Б.П.Демидовича. — 3-е изд., перераб. М.: Наука, 1967. — 368 е., ил.

32. Демирчян К.С. Об одном фундаментальном решении для расчета магнитного поля лобовых частей электрических машин на ЭВМ // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1967. - №6. - С. 82-85.

33. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения: Полное руководство пользователя. М.: Солон-пресс, 2002. — 768 е., ил.

34. Дьяконов В.П. Энциклопедия MathCad 2001 i и MathCad 11. М.: Солон-пресс, 2004. - 832 е., ил.

35. Зечихин Б.С. Магнитное поле в зазоре индукторной машины в режиме холостого хода // Известия вузов. 1960. — №1. - С. 73-83.

36. Зечихин Б.С., Тимершин Ф.Г. Исследование поля магнитоэлектрического генератора с индуктором без полюсных наконечников // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1975. - №1. - С. 81-87.

37. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. — М.: Энергия, 1980. — 929 с.

38. Иванов-Смоленский А.В., Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем. // Электричество. 2000. - №7. - С. 24-33.

39. Иванов-Смоленский А.В., Мнакацанян М.С., Аналитический метод расчета магнитного поля в воздушном зазоре электрических машин с односторонней зубчатостью// Электричество. -1972. №3. - С. 57-60.

40. ИнкинА.И. Аналитические исследования магнитного поля в активном объеме электрической машины с постоянными магнитами// Электричество. 1979 - №5. - С. 30-34.

41. Инкин А.И. Аналитическое решение уравнений магнитного поля в дискретных структурах явнополюсных электрических машин// Электричество.-1979.-№8.-С. 18-21.

42. Инкин А.И. Математическое описание магнитного поля в объемах явнополюсных электрических машин//Электричество. -1997. №2. — С. 30-35.

43. Инкин А.И. Расчет вихревого и потенциального магнитных полей в явнополюсных электрических машинах// Электричество. 1983. - №5. — С. 1519.

44. Инкин А.И. Схемная аппроксимация линейных сред, находящихся под воздействием магнитного поля // Электричество. -1975. №4. — С. 64-67.

45. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: Учеб. пособие. Новосибирск: ЮКЭА, 2002. -464 с.

46. Инкин А.И., Бланк А.В. Аналитический расчет поля возбуждения синхронной машины с постоянными магнитами на роторе // Электричество. — 2004.-№8.-С. 44-46

47. Инкин А.И., Бланк А.В. Математическое описание магнитного поля в дискретно-однородной цилиндрической подобласти на базе кусочно-непрерывных собственных функций// Научный вестник НГТУ. — 2002 — №2(13).-С. 155-161.

48. Инкин А.И., Казанский В.М. Эквивалентные преобразования активных зон во вращающихся электрических машинах // Электричество. — 1975. — №1.- С. 42-45.

49. Инкин А.И., Литвинов Б.В. Синтез каскадных схем замещения индукционных электрических машин на базе типовых Е-Н-четырехполюсников // Электротехника. -1977. №1. - С. 29-33.

50. Инкин А.И., Темлякова З.С. Принципы синтезирования схем замещения пазов электрических машин с двухслойными обмотками // Электричество. -1999.-№2.

51. История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. М.: Издательство МЭИ, 1999.-524 е., ил.

52. Казаков Ю.Б. Параметрический поиск рациональной конструкции электрической машины с постоянными магнитами на деформируемой конечно-элементной модели // Электричество. 2002. - №4. - С. 47-51.

53. Калимов А.Г. Применение интегродифференциального уравнения магнитостатики для расчета тонкостенных ферромагнитных экранов // Электричество. 1999. -№11. - С. 54-59.

54. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. 2-е изд., испр. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 272 е., ил.

55. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2002. 488 е., ил.

56. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: Энергия, 1973. 400 е., ил.

57. Кузнецов В.А., Ширинский С.В. Расчет магнитной цепи синхронного генератора с переменной полюсностью // Электричество. 2003. - №7. — С. 46-52.

58. Лебедев Н.Н. Сборник задач по математической физике. М.: Гостехиз-дат, 1955.-420 с.

59. Лютер Р.А. Расчет синхронных машин. Л.: Энергия, 1979. - 272 с.

60. Лютер Р.А. Теория переходных режимов синхронной машины (с применением операторного анализа). — Л.: Ленингр. энергомашиностроит. ин-т усовершенствования ИТР, 1939. 88 с.

61. Мамиконянц Л.Г. О переходных процессах в синхронных машинах с успокоительными контурами на роторе // Электричество. -1954. №7.

62. Мартынов В.А., Сычев Е.К. Математическое моделирование полей и процессов в синхронных двигателях с постоянными магнитами // Электричество. -1994. -№3. С. 47-51.

63. Метод секущих // Наука и жизнь. 1985. - №6. - С. 41-42.

64. Михлин С.Г. Курс математической физики: Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд. СПб.: Лань, 2002. - 575 е., ил.

65. Молчанов И.Н., Николенко Л.Д. Основы метода конечных элементов. — Киев: Наукова думка, 1989. 272 е., ил.

66. Мэтьюз Д.Г., Финк К.Д. Численные методы: Использование MATLAB / Пер. с англ. Л.Ф.Козаченко под ред. Ю.В.Козаченко. — 3-е изд. — М.: Вильяме, 2001. 720 е., ил.

67. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. — Л.-М.: Госэнергоиздат, 1949. 190 с.

68. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. — В2.х т.-Т. 1.-Л.: Энергоиздат, 1981.-533 с.

69. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. — В3.х ч. Ч. 3. - 5-е изд., перераб. - М.: Госэнергоиздат, 1959. - 232 с.

70. Норри Д., де Фриз Ж. Ведение в метод конечных элементов / Пер. с англ. Г.В. Демидов, А. Л. Урванцев, под ред. Г. И. Марчука. — М.: Мир, 1981. — 304 е., ил.

71. Осин И.Л., Колесников В.П., Юферов Ф.М. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами. М.: Эенргия, 1976. — 231 с.

72. Очков В.Ф. MathCad 7 Pro для студентов и инженеров. М.: Компьютерпресс, 1998.-384 е., ил.

73. Петров Г.Н. Электрические машины: Учеб. пособие для вузов. — Ч. 1,2 — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.

74. ПК ТОР. Комплекс программ ELCUT Режим доступа:http: // www.tor.ru / elcut.

75. Постоянные магниты: Справочник / Альтман А.Б., Герберг А.Н., Глады-шев П.А. и др. Под ред. Ю.М. Пятина. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1980. - 488 е., ил.

76. Рязанов Г.А. Электрическое моделирование с применением вихревых полей. М.: наука, 1969. - 336 е., ил.

77. Самарский А.А. Введение в численные методы: Учеб. пособие для вузов. -М.: Наука, 1987.-272 с.

78. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1978. - 590 с.

79. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., ГоряиновФ.А. Проектирование электрических машин. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1970. - 632 е., ил.

80. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В. Хорьков Г.А. Электрические машины (специальный курс): Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1987. — 287 е., ил.

81. Сипайлов Г.А., JIooc А.В., Лукутин А.В. Расчет переходных процессов синхронных импульсных генераторов на основе анализа магнитных полей// Проблемы нелинейной электротехники. Киев: Наукова думка, 1976. - Т. 1. - С. 15-19.

82. Смирнов А.Ю. Исследование магнитоэлектрических машин с использованием метода проводимостей зубцовых контуров // Электричество. -2003.-№4.-С. 15-19.

83. Смирнов В.И. Курс высшей математики: Учеб. пособие для вузов. — Т. 43-е изд. М.: ГИТТЛ, 1953. - 804 с.

84. Страхов С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 247 с.

85. Суханов В.В. Расчет магнитных полей в синхронных явнополюсных электрических машинах. Режим доступа:http: // www.tor.ru / elcut / articles / sukhanov/jasm.htm.

86. Толстов Г.П. Элементы математического анализа: Учеб. пособие для вузов. Ч. 2. - М.: Наука, 1966. -464 с.

87. ТрещевИ.И. Электромеханические процессыв машинах переменного тока. JL: Энергия, 1980. - 344 е., ил.

88. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / А.В. Иванов-Смоленский, А.И. Власов, Ю.В. Абрамкин и др. под ред. А.В. Иванова-Смоленского. М.: Энергоатомиздат, 1986. -215 с., ил.

89. Урусов И.Д. линейная теория колебаний синхронной машины. — M.-JL: Издательство АН СССР, 1960. 166 с.

90. Хэг Б. Электромагнитные расчеты / Пер. с англ. под ред. Я.Н.Шпильрейна. -M.-JI.: Энергоиздат, 1934. 305 е., ил.

91. Чабан В.И., КовивчакЯ.В. Полевая математическая модель турбогенератора в режиме холостого хода // Электричество. 2003. - №6. - С. 32-36.

92. ШимониК. Теоретическая электротехника/ Пер. с нем. под ред. К.М.Поливанова. М.: Мир, 1964. - 776 с.

93. Щедрин Н.Н. Упрощение электрических систем при моделировании. -М.-Л.: Энергия, 1966. 159 е., ил.

94. Электромагнитные поля в электрических машинах: Сборник статей / Отв. ред. В.В. Апсит. Рига: Зинатне, 1980. - 200 е., ил.

95. Электромагнитные процессы в торцевых частях электрических машин / А.И. Вольдек, Я.Б. Данилевич, В.П. Косачевский и др. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. 213 е., ил.

96. Юринов В.М. Применение аналоговых цепных схем для расчета электромагнитных полей // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. —1974. — №6.-С. 77-82.

97. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988. -479 е., ил.

98. Янко-Триницкий А.А. Новый метод анализа работы синхронных двигателей при резкопеременных нагрузках. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1958. — 103 с.

99. ANSOFT Corporation. — Режим доступа:http: // www.ansoft.com.

100. CADFEM представительство в СНГ. - Режим доступа:http: // www.ansys.ru.

101. Darabi A., Tindall С. Brushless exciter modeling for small salient pole alternators using finite elements // IEEE Trans, on energy conversion. — vol. 17. — No 3. September 2002. - pp. 306-312.

102. Davidson I.E., Gieras J.F. Performance analysis of shaded-pole linear induction motor using symmetrical components, field analysis and finite element method // IEEE Trans, on energy conversion. vol. 15. - No 1. - March 2000. — pp. 40-48.

103. Drubel O., Stoll R.L. Comparison between analytical and numerical methods of calculating tooth ripple losses in salient pole synchronous machines// IEEE Trans, on energy conversion. vol. 16. - No 1. - March 2001. - pp. 61-67.

104. LuoX., LipoT.A. A synchronous permanent magnet hybrid AC machine // IEEE Trans, on energy conversion. vol. 15. - No 2. - June 2000. — pp. 203210.

105. Mademlis C., Margaris N. Loss minimization in vector-controlled interior permanent-magnet synchronous motor drives // IEEE Trans, on industrial electronics. vol. 49 - No 6. - December 2002. - pp. 1344-1347.

106. Min D., Keihani A., Sebastian T. Torque ripple analysis of a PM brushless DC motor using finite element method // IEEE Trans, on energy conversion. — vol. 19. No 1. - March 2004. - pp. 40-45.

107. Proca A.B., Keihani A., EL-Antably A., Wenzhe L., Min D. Analytical model for permanent magnet motors with surface mounted magnets // IEEE Trans, on energy conversion. vol. 18. - No 3. - September 2003. — pp. 386-391.

108. Shima K., Takahashi M. Analysis of leakage flux distributions in a salient-pole synchronous machines using finite elements // IEEE Trans, on energy conversion. vol. 18. - No 1. - March 2003. - pp. 63-70.

109. Welcom to ANSYS.COM. Режим доступа:http: // www.ansys.com.N