автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы математического моделирования и автоматизированного проектирования электромеханических устройств

^ „¿О

•5"

^ ^ На правах рукописи

Л

ЧУБРАЕВ Дмитрий Валерьевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998 г.

Работа выполнена в Институте электрических машин (г. Цюрих, Швейцария) и Научно-исследовательском институте электромашиностроения (г. Санкт-Петербург, Россия)

доктср технических наук, профессор Рейхарт К.

. доктор технических наук, профессор Гончаренко Р.Б. .

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Головкин Е.Е.

С.-Петербургский Институт информатики и автоматизации РАН

Защита диссертации состоится "¿¿2'- июня 1998 г. в " час. на заседании Специализированного Совета К 200,32.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Институте проблем электрофизики РАН по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 18.

С диссертацией можно ознакомиться^'библиотеке ИПЭФ РАН.

Отзывы в -одном экземпляре, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 18, Ученому секретарю Специализированного Совета.

Автореферат разослан мая 1998 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь Сисцнализлрованного Совета кандидат технических наук

/Киселев А.А/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новых и совершенствование существующих электротехнических систем основано на передовых промышленных и информационных: технологиях.. Среди возможны:; технических вариантов развиваются те, которые способны привести к оптимальному' экономическому решению. Поиск лучших решений основан на теоретических и экспериментальных исследованиях, требующих современных методов и средств, в том числе использования постоянно совершенствующейся вычислительной техники. Внедрение эффективного программного обеспечения. позволяет не только повысить качество и производительность инженерного и научного труда, но и создать конкурентоспособные электромеханические устройства или наиболее, полно использовать резервные возможности новых конструкции, проводя их оптимизацию по ряду противоречивых параметров. .

Методы моделирования электромагнитных процессов являются .одним КЗ-основных инструментов, используемых при разработке новых электромеханических устройств. В. связи с этим важную роль играет повышение эффективности работы программных комплексов, предназначенных для моделирования и проектирования, позволяющих как ускорить цикл разработки оптимального устройства, так и высвободить рабочее время квалифицированного специалиста для решения других задач. Следует также отметить, что идущее быстрыми темпами раиигше вычислительной техники дает возможность рассматривать существующие проблемы с учетом большего числа особенностей и взаимных зависимостей параметров, а также решать качественно новые задачи.

В диссертационной работе проведен анализ существующих программ для расчета электромагнитных полей в электромеханических преобразователях энергии, определены основные потребности пользователей данных программ и тенденции развития программного обеспечения в современных условиях. На основе анализа приведенной информации и опыта разработки программных продуктов, накопленных в научных организациях Российской Федерации и Швейцарии, выработана концепция программы нового поколения - модульной системы, сочетающей возможности расчета электромагнитного поля с элементами систем автоматизированного проектирования (САПР), ведения проекта и автоматизированной подготовки документации.

Благодаря ряду особенностей, программа рассчитана на широкий кру: пользователей, включающий коллективы научных и учебных институтов крупные, средние и малые фирмы-разработчики электротехнически: систем, а также студентов и специалистов смежных отраслей науки I техники.

Цель работы и методы исследования. Целью работы являете: формирование концепции программы автоматизированного проектнро вания электромеханических устройств, объединяющей в себе возможности графического и аналитического ввода задачи, расчета электромаг ннтного поля в заданной области, анализа полученных результатов 1 подготовки отчета на основании имеющейся информации. Кроме того должны быгь учтены вопросы безопасности данных, разнообразие круг; пользователей, возможности последующего расширения и модификацш программы, возможности взаимодействия с другими программами, ; также экономические факторы.

В работе решены следующие основные задачи:

- Проведен анализ существующих программ расчета электромаг нитного поля и тенденций их развития. Разработаны: общая структур; программы, назначение и функциональность отдельных модулей, систе ма обмена и хранения данных.

- В качестве первой ступени реализации проекта произведены разработка отдельных модулей программы и объединение внов! созданных и имеющихся модулей в программный продукт \vxFEMAG < последующим его испытанием в Цюрихском институте электрически: машин и на ряде фирм Швейцарии и Германии. С учетом полученной опыта реализована вторая ступень проекта - предложены алгоритмь решения для других модулей программы, проработаны системы защить данных и модуль подготовки документации.

- Проанализированы существующие подходы к автоматизирован ному проектированию электротехнических устройств и указаны методы которые могут быть успешно использованы в разработанном програм мном комплексе.

- При создании программы полученные решения использовались I проверялись в процессе расчета дискового электромагнитного преобра зователя энергии, разработка которого велась совместно ■ I ПШэлектромаш. Результаты расчетов сопоставлялись с полученным! экспериментальными данными.

- С целью проверки возможности использования разработанной системы для оптимизации и автоматизированного проектирования устройств был проведен расчет катушек обмотки возбуждения и якоря.

Решение поставленных задач производилось с использованием аппарата информатики, программирования и теории ведения проектов в сочетании с методами теоретической электротехники и сычислительной математики. При разработке программы использовался язык программирования С++ (компиляторы Microsoft Visual С++, Watcom С++, Sun С++, GNU С++ в средах Microsoft Windows и UNIX), мпогоплат-форменная библиотека классов wxWindows (в процессе работы была существенно доработана и расширена). При описании геометрии задач lia различных этапах использовались программы AutoCAD (Autodesk Inc.), CorelDRAW! (Corel).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Новым подход к созданию программ расчета и разработки электромеханических устройств. Предложенная структура программы позволяет получить высокую гибкость, модифицируемость и иастра-нваемость на конкретного пользователя.

2. Впервые предложенная структура данных, позволяющая производить описание задачи в формате, независимом от используемого расчетного .модуля (процессора).

3. Технология использования нескольких независимых расчетных модулей дзя решения задачи или ее частей в параллельном, последовательном или независимом режимах.

4. Методика сохранения данных во время разработки устройства,, позволяющая сохранять и восстанавливать весь процесс разработки, включая время и авторство произведенных изменении.

5. Использование встроенного компилятора языка программирования Си для ввода данных, управления работой программы, реализации пользовательских алгоритмов расчета, анализа и оптимизации разрабатываемого устройства.

6. Концепция "генератора отчетов", позволяющего на основе накопленной программой информации создавать отчеты о произведенной работе в формате документа, определяемом пользователем.

7. Концепции комбинированного электромеханического преобразования н накипиюая энергии па основе дисковой электрической машины.

Научная новизна и практическая ценность работы. Впервые предл< жена концепция и структура программы автоматизированного проект! рования электротехнических устройств с высокой гибкостью, открытс стью и простотой, позволяющая автоматизировать весь процесс проект1 рования устройства. Разработанный программный продукт да< возможность:

1. Производить ввод данных интерактивным графическим и аиалил чееким (с помощью встроенного языка программирования) путями.

2. Выполнять расчет электромагнитного поля в заданной облап методом конечных элементов с автоматической оптимизацией расчетнс сетки, учитывая механические свойства материалов и нали'п зависимостей характеристик материалов от условий их использован» (электромагнитное поле, температура, давление н т.д.). Определят вторичные характеристики поля, электродинамические усилия и момент на базе полученного решения, строить графические зависимое! рассчитанных величин вдоль произвольно заданного пути.

3. Сохранять последовательность действий и создавать программы I встроенном языке программирования с их последующим выполнением автоматическом режиме.

4. Производить дифференцированный доступ пользователей к данны и средствам работы с ними. Осуществлять одновременную работу в ее-многих пользователей. На базе имеющихся данных создавать отчеты произведенных расчетах, изменении данных, работе разлнчнь пользователей.

В процессе исследований разработан современный программный пр дукт, позволяющий существенно упростить и ускорить процесс расчета оптимизации электромеханических устройств, усовершенствовать проце подготовки документации и контроля над ведением работ.

Предложена система учета нелинейности характеристик материал! электротехнических устройств, позволяющая производить расчеты 1 параметров с повышенной точностью, а при существенно нелинейш характеристиках дающая практически единственный способ получен) удовлегворительного результата. В наибольшей степени она применима гипер- и сверхпроводникам, редкоземельным магнитам, коиструкционнь и электроизоляционным материалам, работающим при криогенш температурах.

Созданный программный комплекс может быть использован при разработке различных типов электромеханических преобразователей и накопителен энергии, сверхпроводящих магнитных систем, устройств электромагнитного экранирования, систем магнитного подвеса и др.

Реализации результатов работы. В процессе работы над концепцией программного продукта была создана программа wxFemag, которая успешно использовалась в Цюрихском институте электрических машин и на ряде электротехнических фирм Швейцарии и Германии: Rockwell Int., Bosch, Ingenier Schule Biel.

Кроме того, разработанный программный комплекс применен при выполнении расчетно-теоретических исследовании по проектам РФФИ: 96-01-01994 "Моделирование процессов тепломассообмена в замкнутых криогенных электрических системах" (НИИэлектромаш), 97-02-18013 "Моделирование электромагнитных процессов в преобразователях энергии, содержащих сверхпроводящие элементы" (ОЭЭП РАН), в работах по проекту 96048 "КРИЭМ" направления "Сверхпроводимость" Государственной научно-технической программ).! "Актуальные направления в физике конденсированных сред" (НИИэлектромаш), а также на этапе формирования предложений на конкурс ЕЭС, по которым в 1998 г. получен грант PL 975032 "Development of HTSC alternators combining rotating and levitating principles" (Россия, Греция, Франция, Венгрия).

Апробации работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на Третьей европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (г. Эйндховен, Нидерланды, 1997), Десятом трехстороннем германо-российско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (г. Нижний Новгород, Россия, 1997) и на научных семинарах в Цюрихском институте электрических машин.

По теме диссертации опубликованы 4 работы, 1 работа находится п печати, кроме того, материалы диссертации отражены в трех отчетах, выпущенных за время рчботы в Институте электрических машин (i Цюрих, Швейцария).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (67 наименовании;. Общий объем работы 1 10 страниц машинописного текста, в том числе эЗ I нс: пка и i таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проведенной работы. В нем сформулированы цели работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены защищаемые положения, дана оценка научной и практической значимости работы.

В первой главе проведен обзор существующих программ расчета электромагнитных полей и проведен анализ тенденций их дальнейшего развития.

В связи с возрастающей потребностью рационального использования квалифицированных инженерных и научных кадров все большую роль играют средства автоматизации процесса расчета, проектирования и моделирования устройств. Процесс проектирования был исторически разбит на три основные этапа:.

- выбор конструкции и определение основных размеров устройства,

- расчет поля в полученной геометрии и параметров устройства,

подготовка конструкторской документации.

Аналогичным образом происходил и процесс автоматизации выполняемых задач: был создан ряд узкоспециализированных программ определения параметров электромеханических преобразователей энергии, программ расчета поля в известной геометрии, САПР общего и специального назначения.

Анализ описанного выше процесса проектирования показывает, что основная часть времени затрачивает ся не в процессе основных расчетных операций, а распределяется следующим образом:

- в случае стандартной -задачи - на общение человек-ЭВМ и на подготовку промежуточной документации;

- в случае нестандартной задачи - на реализацию расчетного алгоритма, увязку его с программой расчета поля (обычно вручную) и на подготовку промежуточной документации.

Существенными могут быть потери от утраты данных (порча в результате ошибки пользователя, потеря данных из-за плохо организованного хранения), серьезную роль может играть конфиденциальность информации, что определяет повышенные требования к сохранности информации и защите ее от несанкционированного доступа.

Развитие мощностей вычислительной техники увеличивает разрыв между быстродействием машины и человека, повышая тем самым значение периферийных и вспомогательных частей программ. Определение

направления развития программного обеспечения в области электротехники, выработка и реализация соответствующей концепции программного продукта могут помочь существенно повысить производительность труда на этапе проектирования устройства

Одновременно с необходимостью рационализации процесса проектирования произошло резкое изменение соотношения стоимости человек/компьютер. За последнее десятилетие в результате активного развития вычислительной техники стоимость единичных ЭВМ снизилась в десятки раз, в то же время стоимость квалифицированного труда выросла на 10-15%.

Результатом явилось изменение соотношения Ск/Сс с 2 до 0.1, где Ск

- средняя годовая стоимость компьютера с учетом обслуживания, модификации и базового программного обеспечения; Сс - средняя годовая стоимость квалифицированного специалиста в области машиностроения в развитых странах Европы. Руководству фирм выгодно вложение денег в продукты автоматизации проектирования. При условии полного высвобождения одного работающего, максимально возможные вложения в программный продукт могут достигать в странах Западной Европы

Сс - Ск ~ 0.9Сс ~ 30000 экю/год,

Данная тенденция делает весьма перспективным развитие программ, позволяющих рационализировать рабочее время специалиста и повысить продуктивность его труда, к которым относятся и системы автоматизированного проектирования.

Но второй главе разработана концепция программного комплекса (рабочее место инжепера-электротехника), дается описание его структуры, частей, структур данных и основного математического аппарата. Подробно рассматривается состав и функциональность основного модуля программы - модуля расчета электромагнитного поля. Структурно модуль расчета поля состоит из четырех частей: модуль ввода данных (препроцессор),

- расчетный модуль (процессор),

- модуль анализа данных и генерации отчетов (постпроцессор), оболочка, включающая механизм чтения-сохранения данных, пользовательский интерфейс и встроенный язык программирования.

Основными чертами разработанной программы являются ее гибкость и открытость. Программа предлагает только основную функпн-

оналыюсть, реализация специальных треоовании выполняется в виде отдельных, модулей (Dynamic'Linked Libraries), подключаемых к программе, или с использованием встроенного языка программирования. Кроме того, возможна полная или частичная замена модулей на альтернативные. Так,'например, могут быть заменены, препроцессор, постпроцессор и даже процессор. Замена оболочки не представляется разумной, поскольку это нарушило бы целостность и преемственность структур данных. • - •

. При обеспечении желаемой гибкости особую роль.играют структуры хранения данных, которые должньг содержать только общую информацию о задаче. Например, структура описания задачи содержит данные о геометрии расчетной области, примененных материалах и возможных изменениях этих параметров в процессе расчета. В то же время информация о расчетной сетке является специфической для данного процессора, использующего метод конечных элементов, и хранится в его специальной структуре данных.-: - . ' .

Предложенная концепция, помимо удобства модернизации, позволяет использование различных расчетных модулей с одной программой как для решения различных задач, так и при решении одной проблемы. При этом расчетные модули могут использоваться в параллельном, последовательном или комбинированном режимах.

В состав постпроцессора, помимо стандартных средств анализа результатов, предлагается включить генератор отчетов - специальный модуль, отвечающий за представление результатов расчета в виде документа, составленного в соответствии с требованиями пользователя. Внедрение данного метода позволяет существенно сократить время на подготовку отчетной документации, снизить количество промежуточных документов. Кроме документации о модели, используемых материалах, полях и параметрах конструкции, предусмотрено создание организационных отчетов о загрузке персонала,.количестве челг веко-часов, затраченных на работу с программой, и т.д.

Для упрощения процесса проектирования и приближения его к реальности предложено дополнить список " параметров материалов новым параметром "твердость" в смысле "деформируемость", "проницаемость". Все материалы могут быть поделены на твердые, эластичные и проницаемые, что определяет их поведение при взаимном контакте и перемещениях одних объектов внутри других. Твердость материала

используется при модификации модели, позволяя описывать характер изменения объектов в случае их контакта.

Рассчитываемая область, как правило, не существует изолированно, а является частью системы, например, электрической цепи. В таком случае возможность описания данной системы, внешней по отношению к объекту, может как существенно облегчить моделирование рассчитываемого устройства, так и позволить: расчет самой внешней системы. Примером может являться автономная система генератор - сеть конечной мощности, где оба объекта оказывают влияние друг на друга.

' Моделирование самого устройства также обычно не может быть сведено только к расчету электромагнитного поля, а включает рассмотрение тепловых, механических и других процессов. Это означает необходимость подключения на определенной стадии соответствующих расчетных модулей. Дополнительные модули не. обязательно должны являться второстепенными по отношению к части расчета электромагнитного поля - более перспективным является объединение ряда полноценных программ расчета: электромагнитного поля и параметров,.тепловых и механических процессов, режимов работы сетей и др. в один комплекс с возможностью динамического обмена данными.

Поскольку проектирование новых устройств является коллективным процессом, программа должна позволять одновременную работу многих пользователей с одной или многими задачами. Данное условие наклаг дывает определенные ограничения на выбор формата хранения данных: из' существующих форматов только базы данных позволяют одновременное редактирование одного файла многими пользователями. Кроме того, базы данных удобны для хранения больших объемов чисел и работы с ними, что важно для численных методов расчета, в частности, метода конечных элементов. При использовании- одного из стандартных форматов баз данных упрощается решение проблемы экспорта данных для их использования другими программами.

Кроме принципиальной возможности коллективной работы с набором данных, описывающих разрабатываемый объект, важно обеспечить наличие инструментов, делающих подобную совместную работу эффективной. В их число предлагается включить систему различных ступеней зашиты информации, механизм определения авторства и времени внесенных изменений, набор специальных отчетов, позволяющих руководителям подразделений следить за ходом работ. Система защиты информа-

min позволяет предотвратить как внесение в задачу несанкиионнрова пых изменений участниками проекта, так и доступ к ней третьих лиц.

В третьей главе приведено описание основ метода конечнь элементов, используемого в программном комплексе для моделирован! электромагнитных полей. Рассмотрены различные алгоритмы оптпмиз ции электромеханических устройств, базирующиеся как на численны так и на аналоговых методах расчета поля. Приводится описание наиб лее современных Методов, анализ их достоинств и недостатков, рассма рииается возможность их использования в предлагаемо!! программе.

Системы автоматизированного проектирования САЕ (Computc Aided Engineering) в ближайшем будущем будут играть ведущую ро; среди программ расчета поля. В отличие от широко распространишь систем CAD (Coinputer-Aided Design) данные программы направлены i столько на облегчение конструкторских работ, сколько на автомат; зациго процесса разработки, устройства. Сочетание функциональное! систем CAD и САЕ позволит существенно упростить разработ! электротехнических устройств, начиная со стадии технического задания заканчивая конструкторской документацией.'-.

В настоящее время создатели САПР, не пришли к единому решенн проблемы.- Среди предлагаемых алгоритмов основное место занимав разработки на базе т.н. градиентного метода. Он является следуюик ступенью развития метода последовательных приближений и, облад; высокой точностью, имеет целый ряд недостатков, снижают! возможность его применения: сходимость решения к локальным мнним; мам целевой функции, высокая интенсивность расчетов и др. Преддага мые усовершенствования направлены на их устранение и стрсмятс путем разбиения процесса на две фазы, сначала специальным методе найти область глобального минимума, а затем перейти к поис* возможно точного решения градиентным методов.

Определенное распространение получили аналитические методi ограниченные, однако, рамками принятой модели и, как правнк отстающие в точности от численных методов. Кроме того, существуй ряд альтернативных методов. Наибольший интерес представляют: мето оптимизации распределения материалов (Materia! Distributio Optimisation Method) и метод адаптирующего проектирования (Adaptin Design Method). Первый из них оперирует материалами в пространстве.

путем подбора их форм и взаимного расположения стремится к минимуму целевой функции.

Уникальность данного метода состоит в том, что он позволяет получать новое решение, в отличие от остальных методов, способных только модифицировать имеющуюся конструкцию. Второй метод, основываясь на наборе известных готовых конструкций и уравнений связи параметров, ведет поиск решения, удовлетворяющего поставленным условиям.

При разработке программного комплекса предложена оригинальная идея, близкая к методу адаптирующего программирования - система обратных связей. Она позволяет автоматически корректировать задачу в процессе выполнения, основываясь на системе заданных условий и зависимостей, что уже на первом этапе создания программы обеспечивает функциональность, свойственную САПР, и позволяет в дальнейшем наращивать ее.

Система обратных связей объединяет модули препроцессора, процессор I и постпроцессора и позволяет связывать величины, хранящиеся в различных частях программы, посредством зависимостей, задаваемых пользователем или разработчиками программы. Эти зависимости могут содержать точные выражения для расчета одних величин на базе других, общие зависимости (с ростом X монотонно растет У), аналогичные зависимости для производных функций.

Связь препроцессора с постпроцессором обеспечивает возможность изменения исходных параметров задачи (геометрии, материалов, токов и т.д.) в зависимости от результатов расчета и получения заданных зависимостей.

Связь между процессором и препроцессором позволяет в зависимости от прохождения расчета менять. параметры задачи (например, при невозможности проведения трансформации объекта соответствующая информация может быть передана в препроцессор для корректирования задачи).

Связь процессора и препроцессора может использоваться для изменения внутренних установок процессора в зависимости от полученных результатов расчета: например, изменение плотности расчетной сетки для получения необходимой точности одной из определяемых в постпроцессоре величин.

Четвертая глава содержит результаты разработки и оптимизации с использованием программного комплекса ряда криогенных электрических машин дисковой конструкции мощностью 1- 15 кВ А.

Показаны основные преимущества дисковых машин нетрадиционного исполнения с использованием сверхпроводников, чистых металлов и редкоземельных магнитов при криогенных температурах. Рассмотрена возможность создания комбинированного электромеханического преобразователя и накопителя энергии. Дисковый ротор синхронной электрической машины, работающей в режиме генератор-двигатель, может быть использован в качестве накопителя кинетической энергии, а соленондальные сверхпроводящие обмотки - как индуктивный накопитель. Конструкция предполагает также магнитный подвес высокооборотного ротора на основе высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов. Использование сверхпроводников позволяет снизить потери в режиме хранения запасенной энергии.

В качестве примера для проверки возможностей разработанного програм.иного комплекса использована задача проектирования системы катушек ротора и статора для дисковой машины как накопителя энергии. Задача разложена на две составляющие:

1. Оптимизация катушки с целью увеличения запасаемой в ней энергии (с учетом возможных ограничении по объему материала и предотвращения превышения критической индукции Ве). При расчетах были использованы следующие аналитические выражения

что позволило существенно упростить процесс поиска ошимальных размеров катушки. Расчет оптимального характер:' распределения ноля внутри катушки проводился методом конечных элементов.

2. Оптимизация геометрии и взаимного расположения катушек статора и ротора с целью получения максимального значения их взаимной индуктивности с использованием метода конечных элементов.

Решение задачи показало целесообразность введения ряда новых функций в инструментарий программы. Были выработаны методики расчета рассматриваемой системы катушек, позволяющие проводи п. проектирование, основываясь на различных исходных устонпих.

(4.2)

/

„ЕЗХ

/

\

Рис.I. Конструктивная схема криогенной дисковой синхронной машины: 1 - катушки обмотки ротора, 2 - диск ротора, 3 - корпус статора. 4 ■ катушки обмотки статора.

н

я- 0 -1

-2

-3

Эксперимент, 1,=ЗА

I / \

; / Дм-

■ / у \1Л

1 / /

Расчет, 1,=! А

•<-Л

•фае®

2т

/ \

тх

I

Эксперимент, 1

7Г

Г/ !

•4 1. •5 "

Зт

■VI

:Ит

тт

Рис.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей рас-предечения магнитного поля на поперхности ротора.

Результаты расчетов были использованы при создании модельного синхронного генератора с обмоткой ротора из высокотемпературного сверхпроводника на основе соединения Bi 2223 и обмоткой статора из высокочистого алюминия. Принципиальная конструктивная схема криогенной дисковой машины приведена на рис. 1.

Для данной конструкции предпочтительным является число пар полюсов, определяемое соотношением р = 2/г, где п • целое число. Минимальное число катушек в обмотке статора в этом случае составляет п. = тр, где иг - число фаз обмотки статора. При таком условии обмотка статора может быть симметрично распределена по обеим сторонам ротора. Максимальный размер катушек обмотки статора £><„,„ определяется как

. 2тг SII1-

А™ -(4.3)

1 + sin —

"с

где De„ - внешний диаметр статора. Размер катушек ротора определяется путем решения задачи оптимизации для каждого конкретного случая.

Обмотка ротора модельной машины состоит пз восьми катушек, изготовленных из ленты размером 5x0.2 мм, содержащей 19 нитей сверхпроводника в серебряной матрице. Трехфазная обмотка статора из двенадцати катушек расположена по обеим сторонам ротора. Катушки выполнены их многожильного алюминиевого кабеля. По результатам испытаний критическая плотность тока в обмотке ротора из ленточного высокотемпературного сверхпроводника при температуре 4.2 К составила в среднем 75 А/мм2 в поле на оси катушки 0.24 Тл, а в обмотке статора при температуре 25 К превысила 100 А/мм2.

При проведении криогенных испытаний генератора в жидком азоте выявились определенные дефекты в катушках системы возбуждения: часть из них имела корогкозамкнутые витки, а одна катушка была закорочена полностью. Этот случай представил наибольший интерес для сопоставления опытных и расчетных данных. Поскольку выявить расположение короткозамкнутых витков было трудно, при расчетах учитывалась только полностью замкнутая катушка. Результаты, показанные па рис.2, подтверждают высокую точность использованной модели и ее пригодность для проектирования и оптимизации дисковых машин рассмотрепной конструкции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

¡. Проведен анализ тенденций и направлений развития программного обеспечения для моделирования электромагнитных полей, систематизированы и исследованы основные требования пользовак'леп данного класса программ. Сформулированы требования к новой концепции программы расчета полей в электромеханических устройствах, разработана структура программы.

2. Определен перечень свойств, которыми должен обладать программный продукт нового поколения: возможность проведения вычислений, включающих, помимо моделирования электромагнитного поля, расчет дополнительных параметров или процессов; создание условии для коллективной работы с программой: обеспечение связи с внешними программами расчета процессов, относящихся к разрабатываемому устройству: реализация в составе программного комплекса модулей автоматизированного проектирования; предоставление возможности работы с внешними системами САПР, и др.

3. Новым в методологии программного обеспечения данного класса является предложение возможности замены расчетного модуля программы на альтернативный, а также идея совместной работы различных расчетных модулей в различных комбинациях: последовательной, параллельной и смешанной. Предложена система данных, позволяющая реализацию данной структуры программы.

4. Проведена критическая оценка программы РЕМАО - программного продукта предшествующего поколения для расчета электромагнитных полей методом конечных элементов. Предложена концепция дальнейшего развития данного продукта и создания на его базе расчетного комплекса нового поколения.

5. Впервые предложено введение зависимостей любых параметров активных и конструктивных материалов от внешних условий (температуры, нндукцин магнитного поля и др.), а также механических характеристик с целью использования нх для описания поведения объектов в процессе проведения механических трансформаций.

6. Разработана теория применения и проведена реализация встроенного языка программирования как инструмента ввода информации, задания и сохранения последовательности операций, а также в качестве дополнительного или основного расчетного модуля или модуля анализа данных.

7. Предложена и реализована оригинальная идея генератора ответов для получения научной, конструкторской, административной и др.-документации. ' : ■

8. Разработаны принципы использования модуля расчета электромеханических устройств в макромоделях электроэнергетических систем. Предложена идея использования модуля расчета поля в составе систем управления, регулирования, мониторинга, диагностики и др.

9. Реализован первый этап создания программы нового поколения с расчетным модудем, рабйтающнм на основе метода конечных элементов. '

10. Сформулированы основные задачи систем автоматизированного проектирования и проведена их классификация с подразделением на полуавтоматические, автоматические и экспертные системы. Выполнен анализ методов, представляющих каждую группу, выявивший их достоинства и недостатки и определивший возможности их применения в, рассматриваемой программе. ..'

11. Для .разрабатываемого программного комплекса предложена новая трехуровневая система оптимизации и автоматизированного проектирования электромеханических устройств с использованием оригинальной системы обратных связей между модулями программы и разработаны методы ее реализации. . •'•'.-'

12. Предложена конструкция комбинированного электромеханического преобразователя энергии, использующего сверхпроводники И чистые металлы при криогенных температурах, с дисковым ротором из ; композитных материалов с высокой величиной за касаемо» энергии.

13.Для разработанной модельной криогенной дисковой машины-проведен поверочный расчет, показавший высокую адекватность расчетной модели и реального объекта. Получены картины распределения поля в режимах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой. Проведено сопоставление расчетных параметров с экспериментальными данными. ' " -

14. Предложена методика оптимизации катушек обмоток статора и ротора исходя из критериев максимальной взаимной индуктивности и минимального расхода сверхпроводника. В соответствии с ней проведена оптимизация системы катушек с использованием смешанного анапого-числового метода.

Публикации по теме диссертации

1. Автоматизированное проектирование седлообразных обмоток статоров криогенных генераторов // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. С.-Пб.. НИИэлектромаш,]993. С. 93-101.

2. Electromagnetic Processes in a Disc-Type Generator. - EUCAS'97. The Netherlands, Eindhoven, June-July 1997. Rep.5Ge-26. P. 97. (Соавтор Чубраева Л.И.) .

3.. Practical Experience with Model HTSC Synchronous Generator // X Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity. Nizhny Novgorod, Russia, September 1997. P.91. (Соавторы Акимов И.И., Волошин И.Ф., Калииов А.В., Филичев Д.А., Фишер Л М. Чубраева Л.И., Шиков А.К.)

4. Electromagnetic Processes in a Disc-Type Cryoaltemator // Applied Superconductivity. No'. 158. 1997. P.1539-1542. (Соавтор Чубраева Л.И.)

5.. Дисковая машина как преобразователь и накопитель энергии // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып.2. С:-Пб.; НИИэлектромаш - ОЭЭГ1 РАН, 1998. 12 с.

f.

1

Лицензия № 020865 от 03.03.94.

Подписало к печати 19.05.98

Формат 60x90 1/16. Бумша офс.

Объем I п.л. Тир. 100 экз. Заказ № 62.

Ротапринт НИИхмектромаш.

Í9608!, С.-Петербург. Московский ¡:р. 100,

НИИзлсктромаш