ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

В последнее время в мире возрастает интерес к электрическим машинам с улучшенными показателями. В электромашиностроении взят курс на создание электрических машин с улучшенным КПД, улучшенной надежностью, сниженными шумами и вибрацией, сниженными массогабаритными показателями.

Для обеспечения выше указанных параметров требуется существенно повысить точность расчетов отдельных элементов машины. Это влечет необходимость учета новых факторов, которыми раньше пренебрегали на стадии проектирования.

Одним из наиболее эффективных методов решения данной проблемы является применение новых методик расчета электрических машин, с использованием современных возможностей ЭВМ.

Решение задач современного электромашиностроения базируется на  основе знаний о распределении магнитного поля в проектируемых машинах. Существует множество методик для проектирования электрических машин, однако все они накладывают на расчет определенные рамки и ограничения. При построении математической модели в классической теории машин мы переходим к теории цепей, общее поле машины представляем как  совокупность локальных полей, что приводит к ряду допущений. Модели машин, созданные на основе теории цепей, являются неточными, приближенными.

Успешное решение задач микро и крупного электромашиностроения может быть получено только на основании точных, надежных и глубоких знаний о теории электромагнитного поля, его распределении в проектируемых электрических машинах. Также при использовании электрических машин в сложных электромеханических устройствах появляется потребность работы в режимах частых пусков, остановок, реверсов, работы под повышенной нагрузкой.

Таким образом, для достижения выше описанных свойств и параметров требуется решить огромной массы задачу, которая будет учитывать изменяющееся во времени поле, механические деформации, тепловые поля. Без привлечения ЭВМ для таких задач накопленный опыт проектирования неприемлем.

При проектировании машин особое место занимает расчет магнитной цепи. Расчет проводят в целях определения МДС обмотки  возбуждения, необходимой для создания магнитного потока Ф при холостом ходу при ряде допущений. Именно данный этап моделирования в дальнейшем определит энергетические показатели машины, поэтому требует дополнительного исследования, нуждается в новом совершенном методе расчета.

Для решения поставленных задач используем программный комплекс FEMM. Численное решение уравнений поля, т.е. расчет поля на ЭВМ с помощью различных вычислительных программ, основанных, например, на методах конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и других, позволяет практически без каких-либо упрощающих допущений с высокой точностью рассчитать распределение поля в любом электромеханическом устройстве. Программа FEMM, основанная на МКЭ позволяет рассчитывать магнитные системы любой сложности при известной геометрии магнитной системы и распределении плотностей тока в обмотках ЭМ.

Произведем расчет магнитной системы электрической машины, при помощи программы FEMM, сравним результаты с классическим методом расчета. Классический метод расчета возьмем из [3].

Допущения при проектировании магнитной системы классическим методом:

1. Зазор в машине гладкий

2. Индукция и поток в зазоре идеально синусоидальны

3. Считают, что линии поля части окружности, имеющие центр на оси вращения машины.

4 Поток постоянен по ярму статора.

Будем оценивать следующие параметры машины, рассчитанные по классической методике расчета и в программном комплексе FEMM: Магнитный поток Ф; Индукция в зазоре В_δ; Индукция в зубцах статора В_Z1; Индукция в зубцах ротора В_Z2; Индукция в спинке статора В_Za; Индукция в ярме ротора В_Zj.

Классический расчет производится по следующим формулам:

Ф =  (1)

В_δ =  (2)

 (3)

 (4)

 (5)

(6)

Исходные данные для расчета:

Таблица 1.

Данные для расчета

Участки магнитной системы, для которых будут производиться расчеты на модели в FEMM: 1- Ярмо статора, 2- Зубец статор, 3- Зубец ротора, 4- Ярмо ротора.

Рисунок 1. Участки магнитной цепи

Результаты расчетов представлены в таблице ниже:

Таблица 2.

Результаты расчета

Вывод: как видно из вышеприведенной таблицы электромагнитный расчет в программе FEMM несколько отличен классического метода.  Точность расчета магнитной цепи в программе FEMM выше, чем расчеты классического метода. Т.к FEMM учитывает реальную геометрию машины, учитывает неравномерность зазора, оперирует не «урезанной» синусоидой, тем самым исключает часть допущений.

Список литературы:

1. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Магнитные цепи, поля и программа FEMM. – М.: Изд. центр «Академия», 2005.
2. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с., ил.
3. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. – 4-е изд., испр. –М.: Высш. Шк., 2004. – 607 с.