Римша Віталій Вікторович. Моделювання і синтез реактивних та індукторних електромеханічних перетворювачів

Короткий опис

Римша Віталій Вікторович. Моделювання і синтез реактивних та індукторних електромеханічних перетворювачів: дис... д-ра техн. наук: 05.09.01 / Національний ун-т "Львівська політехніка". - Л., 2004

Римша В.В. Моделювання і синтез реактивних та індукторних електромеханічних перетворювачів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 електричні машини і апарати. Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2004.
Дисертацію присвячено розвитку методології математичного моделювання реактивних та індукторних електромеханічних перетворювачів (ЕМП), побудові на цій основі ефективних математичних і програмних засобів для їх автоматизованого аналізу і синтезу, розробці практичних рекомендацій щодо проектування реактивних та індукторних ЕМП з оптимальними функціональними властивостями. Здійснено науково обґрунтовані дослідження, які вирішили задачу удосконалення існуючих та створення нових математичних моделей реактивних та індукторних ЕМП обертового і лінійного руху на базі використання чисельних методів розрахунку магнітного поля і електромагнітних зусиль. Запропоновані рекомендації щодо оптимізації геометричних співвідношень ЕМП, які суттєво покращують експлуатаційні характеристики ЕМП. Основні результати роботи знайшли практичне застосування при створенні нових типів спеціалізованих електроприводів з покращеними техніко-економічними показниками.

Основний науковий зміст дисертації полягає у теоретичному узагальненні і вирішенні актуальної наукової проблеми розвитку методології математичного моделювання та створенні на цій основі засобів автоматизованого проектного синтезу і аналізу реактивних та індукторних ЕМП високої функціональної ефективності. Розроблені математичні та програмні засоби дають можливість оперативного виконання синтезу та аналізу різноманітних конструктивних виконань індукторних та реактивних ЕМП, які відповідають сучасним досягненням науки і техніки.
Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють зробити такі висновки:

На основі єдиного підходу, який базується на енергетичному методі розрахунку електромагнітних зусиль і електромагнітного моменту, розроблено ММ реактивних та індукторних ЕМП в лінійній постановці задачі. Отримано аналітичні залежності для розрахунку тягового зусилля і зусилля одностороннього магнітного тяжіння лінійного реактивного ЕМП, які дозволяють на етапі проектних досліджень здійснювати порівняльний аналіз різноманітних конструктивних виконань лінійних реактивних ЕМП. Запропонована методика розрахунку основних геометричних розмірів лінійних реактивних ЕМП, яка сформована на базі розроблених аналітичних залежностей для визначення максимального тягового зусилля.
Розроблені і реалізовані ММ, математичні і програмні засоби симуляції електромеханічних процесів в реактивних та індукторних ЕМП дозволяють достатньо оперативно проводити дослідження впливу різноманітних факторів на процеси в ЕМП і можуть служити основою для проведення оптимізації ЕМП на базі високоефективних чисельних моделей магнітного поля при невисоких витратах обчислювальних ресурсів.
Побудову узагальнених ММ ЕМП доцільно виконувати на основі підходу, який поєднує теорію раціонального планування експерименту з теорією синтезу регресійних моделей. Розроблене для цієї мети програмне забезпечення інваріантне до об’єкту моделювання і може використовуватися для побудови узагальнених ММ не тільки ЕМП, а також інших об’єктів, інформацію про властивості яких можна отримати в чисельному вигляді.
Сформульовано принципи побудови і розроблено розрахункову підсистему автоматизованого синтезу і дослідження лінійних індукторних ЕМП різноманітних конструктивних виконань. Підсистема дозволяє здійснювати перевіряльні та оптимізаційні розрахунки ЕМП, проводити розрахунки магнітного поля чисельними методами і на основі розрахунків магнітного поля уточнювати параметри ЕМП і значення електромагнітних зусиль, які діють на його елементи. Основу прикладного, об’єктно-орієнтованого математичного забезпечення складають розроблені ММ лінійних індукторних ЕМП, методи і алгоритми, які забезпечують отримання чисельних оцінок критеріїв, необхідних для вибору прийнятних проектних рішень.
При чисельному моделюванні магнітного поля в ЕМП для розрахунку електромагнітних зусиль і електромагнітного моменту застосування модифікованого методу натягів дозволяє істотно скоротити час при багатоваріантних розрахунках завдяки зменшенню загальної кількості вузлів сітки кінцевих елементів.
Аналіз результатів моделювання двовимірного і тривимірного магнітного поля в лінійному реактивному ЕМП показав, що коректні значення індуктивності фази у погодженому положенні магнітопроводів первинного і вторинного елементів можуть бути отримані при вирішенні як двовимірної, так і тривимірної задачі розрахунку магнітного поля, а індуктивності фази у розузгодженому положенні магнітопроводів тільки при вирішенні тривимірної задачі. В той же час необхідність вирішення тримірних польових задач в ЕМП повинна обґрунтовуватися з точки зору ресурсних і часових витрат навіть при сучасному рівні обчислювальної техніки.
Визначення тягового зусилля лінійних ЕМП з поперечним магнітним потоком з достатньою точністю можливо лише на основі вирішення задачі розрахунку магнітного поля у тривимірній постановці. Необхідна точність розрахунку зусилля одностороннього магнітного тяжіння на базі двовимірних польових моделей таких ЕМП забезпечується у тих випадках, коли розімкненостю магнітопроводу у поздовжньому напрямку можна знехтувати.
Розрахунок електромагнітних зусиль на базі двовимірної моделі магнітного поля лінійного реактивного ЕМП з поздовжнім магнітним потоком приводить до заниження тягового зусилля на 5%, зусилля одностороннього магнітного притягання - на 17% у порівнянні з результатами тривимірного моделювання. Порівняльний аналіз результатів розрахунку тягового зусилля лінійного індукторного ЕМП з поздовжньо-поперечним магнітним потоком на базі двовимірної і тривимірної польових моделей виявив, що рішення тривимірної польової задачі дозволяє знизити похибку у визначенні тягового зусилля з 12% до 7% у порівнянні з експериментальними результатами.
В обертових реактивних ЕМП трапецоїдна форма зубця статора є найбільш переважливою з точки зору забезпечення максимального середнього значення моменту при мінімальному рівні його пульсацій на періоді комутації фази обмотки. Чисельний аналіз магнітного поля підтвердив відомий висновок про відсутність впливу геометричної форми зубця ротора обертового реактивного ЕМП на якісний характер зміни і кількісні значення електромагнітного моменту.
При проектуванні обертових реактивних ЕМП для забезпечення максимального значення середнього моменту рекомендовано вибір коефіцієнтів полюсного перекриття ротора і статора із слідуючих діапазонів:.
При проектуванні лінійних реактивних ЕМП для забезпечення мінімального рівня пульсацій тягового зусилля рекомендовано вибір значень коефіцієнтів полюсного перекриття первинного і вторинного елементів в діапазонах:. Висоту полюса вторинного елементаслід вибирати в межах, що забезпечує максимальне значення першої гармоніки провідності повітряного проміжку і прийнятний рівень пульсацій тягового зусилля. Збільшенняпонад вказані межі недоцільно, тому що приводить до збільшення габаритів ЕМП.
Для лінійних індукторних ЕМП з рухомим замикачем магнітного потоку визначено діапазон раціонального вибору висоти замикача, в межах якого забезпечується мінімальне значення потоку розсіювання. Для лінійних індукторних ЕМП з ПМ розроблено ММ електромагнітних процесів та теплового стану, які враховують особливості процесу електромеханічного перетворення енергії даного типу ЕМП.

При формуванні меж області розрахунку магнітного поля МКЕ в лінійному індукторному ЕМП достатньою є величина відстані від краю первинного елементу до меж області не більше однієї полюсної поділки вторинного елемента двигуна, а крок дискретизації у повітряному проміжку для забезпечення потрібної точності результатів розрахунку має бути не більшим, ніж зубцевої поділки.
Одним з ефективних шляхів зниження величини пульсацій тягового зусилля лінійного індукторного ЕМП є виконання магнітопроводу якоря з напівзакритими пазами при найменшій ширині розкриття пазу.
Розроблені в дисертаційній роботі технічні рішення реалізовані в конструкторських розробках ЕМП для приводу антени РЛС морського призначення, вібросит, вентиляторних установок з регульованою продуктивністю, дверей трамвайних вагонів і впроваджені на підприємствах України. Впровадження розробленого методичного, математичного і програмного забезпечення в навчальне проектування забезпечує ефективне навчання студентів-електромеханіків сучасним методам математичного моделювання, автоматизованого аналізу і синтезу електромеханічних пристроїв.