Выбор электродвигателя Моделирование и анализ электронных схем Основы электротехники Методические указания Основы электроники Лабораторные работы Основы теории цепей

Примеры расчета Электропривод переменного тока

Уравнение электромагнитной мощности

Несмотря на различные конструктивные исполнения, для анализа и синтеза вентильной машины с аксиальным зазором (ВМАЗ) можно применить единый подход. Для этого  по аналогии с [1] (см. Литература) представим активную часть ВМАЗ в виде диска с равномерным токовым слоем, который пронизывается магнитными силовыми линиями (см. рис.5).

Элементарный участок этого диска создает электромагнитный момент:

 (1)

где - элементарный электромагнитный момент;

- магнитная индукция элементарного участка;

- линейная токовая нагрузка элементарного участка;

- радиус удаления элементарного участка от оси вращения

Средний электромагнитный момент будет представлять собой  поверхностный интеграл по площади активного кольца:

 

 (2) 

где - средний электромагнитный момент;

- наружный диаметр активной части ВМАЗ;

- внутренний диаметр активной части ВМАЗ;

- среднее значение индукции в воздушном зазоре;

- среднее значение линейной токовой нагрузки (определяется, как количество ампер-витков на единицу длины на среднем диаметре активной части ВМАЗ).

Электромагнитная мощность определяется умножением (2) на угловую частоту вращения машины:

 (3)

где - угловая частота вращения ротора, измеренная в об/мин.

Полученное уравнение представляет собой аналог классического уравнения Арнольда для электромашин цилиндрического типа с радиальным воздушным зазором. Средний диаметр ВМАЗ эквивалентен диаметру расточки якоря, а толщина кольца активной длине радиальной машины.

Постановка задачи анализа

Элементарный участок этого диска создает электромагнитный момент.

Задача проектирования ВМАЗ была разбита на две взаимосвязанные задачи:

- анализ, т.е. разработка методики поверочного расчета, при которой полностью известна геометрия и необходимо определить рабочие характеристики, 

- синтез, т.е. разработка методики оптимального проектирования при которой для определенных техническим заданием параметров необходимо рассчитать геометрию.

Из (3) видно, что точность расчета при анализе зависит от точности определения  средней линейной нагрузки и средней индукции. Определение средней линейной нагрузки связано с расчетом активного и индуктивного сопротивления фазы. Расчет активного сопротивления, как правило, не представляет сложности. Для расчета индуктивного сопротивления , а также для определения средней индукции необходим качественный расчет магнитного поля.

Были опробованы различные методики расчета поля для магнитных систем ВМАЗ [2], [3], [4], но положительный результат, несмотря на сложность реализации, дали методики, основанные на методе конечных элементов (МКЭ).

Основные преимущества МКЭ по сравнению с другими методами расчета магнитного поля.:

- возможность рассчитывать магнитные системы практически любой геометрии;

- возможность закладывать свойства любых материалов для постоянных магнитов, электротехнических и конструкционных сталей и для якорных обмоток;

- возможность анализировать магнитное состояние как всей системы, так и отдельных ее элементов;

- потенциальная возможность решать связанные задачи, например, расчет электромагнитного и теплового поля, которые представляют перспективу и пока не используется;

- хорошая сходимость расчета с результатами тестирования.

Сложность реализации этого метода компенсируется постоянно возрастающими возможностями вычислительной техники, наличием специальных отработанных лицензионных программ для реализации этого метода.

В данных расчетах использовался лицензионный программный комплекс ANSIS/EMAG.

Рис.6.

пример реализации метода конечных элементов для

вентильной машины с аксиальным зазором

 с сегментными магнитами

 


Рис.7.

пример реализации метода конечных элементов для

вентильной машины с аксиальным зазором

с тороидальной обмоткой

 


Погрешность расчета по сравнению с экспериментом для различных магнитных систем, определенная по индукции в воздушном зазоре, составила 5-8 % в пессимистическую сторону, что вполне приемлемо.

Далее, после определения параметров магнитного поля (индукции, магнитного потока, потокосцепления), расчет рабочих характеристик производится по традиционным методикам с использованием схем замещения.

Исследование опытного образца вентильного генератора с параметрами 350 Вт, 24 В, 3500 об/мин на холостом ходу и под нагрузкой показала погрешность расчета по ЭДС вращения порядка 9%, по выходной мощности порядка 8 %, по КПД порядка 5%. Для разрабатываемого нами ряда ВМАЗ это вполне приемлемо.

Таким образом, сочетание конечно-элементного анализа магнитного поля с классическими методиками с использованием схем замещения позволяют качественно решить задачу анализа ВМАЗ. Этот подход можно рекомендовать и для проектирования электрических машин других классов

Понятия "проектирование" и "конструирование" тесно взаимосвязаны и характеризуют деятельность с замыслами. Проектирование предшествует конструированию и создает для него основу. Конструирование в отличие от проектирования предполагает разработку строго однозначной документации на новую конструкцию, изделие, материал, необходимой для последующей работы производителей продукции. Результатом деятельности проектировщика является проект, а конструктора - конструкция (строение, устройство, план, схема, взаимное расположение частей сооружения и т.д.). Окончательная оценка их деятельности определяется эффективностью функционирования созданных технических средств в процессе эксплуатации.
Вернуться на главную сайта