close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101370

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
АННЕНКОВ Андрей Николаевич
(у(/^
РАЗВИТИЕ Н А У Ч Н Ы Х ОСНОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА
ЭЛЕКТРОМАПдаТНЫХ ПРОЦЕССОВ д л я СИСТЕМ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ Д В И Г А Т Е Л Е Й
С ТОКОПРОВОДЯЩИМ СЛОЕМ РОТОРА
Специальность 05.09.01 -Электромеханика
и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Воронеж-2005
Работа выполнена в Воронежском государственном техниче­
ском университете
Научный консультант
заслуженный деятель науки и техники
РФ, доктор технических наук, профессор
Шиянов Анатолий Иванович
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники
РФ, доктор технических наук, профессор
Бахвалов Юрий Алексеевич;
доктор технических наук, профессор
Беспалов Виктор Яковлевич;
заслуженный деятель науки и техники
РФ, доктор технических наук, профессор
Гайтов Багаудин Хамидович
Ведущая организация
Федеральный научно-производстиенный
центр ЗАО НПК(0) «Энергия»,
г. Воронеж
Защита состоится "23" ноября 2005 года в 10^^ часов в кон­
ференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09
Воронежского государственного технического университета по ад­
ресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронеж­
ского государственного технического университета
Автореферат разослан "
Ученый секретарь
диссертационного совета
" октября 2005 г.
- ^..-^п.^
^USSOojU*. —
Кононенко К.Е.
4&^
^fff^Y
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время сложилась тен­
денция расширения области применения электроприводов с асин­
хронными двигателями (АД), среди которых находится ряд конст­
рукций машин с токопроводящим слоем ротора.
В двигателях с массивным ферромагнитным ротором (МФР)
обеспечена высокая добротность пусковых характеристик, значи­
тельная механическая прочность и коррозионная устойчивость ро­
тора к воздействию химически активных сред. В управляемых асин­
хронных двигателях (УАД) обеспечены высокое быстродействие и
точность отработки сигналов управления в отсутствии самохода.
Безред5т<торный привод на основе АД с разомкнутым магнитопроводом (РМ) позволяет обеспечить перемещение по заданному зако­
ну без использования передаточных звеньев, транспортировать раз­
личные объекты и обрабатьгеаемые детали путём электромагнитного
воздействия непосредственно на них, за счет чего решаются задачи
улучшения конструкторско - технологической подготовки произ­
водства.
Основным ограничением, накладываемым на перечисленные
характеристики, является обеспечение приемлемых энергетических
показателей электрической машины. При этом растёт актуальность
разработки уточнённых моделей, методик расчёта, программного
обеспечения, а также поиска новых конструкций АД с токопрово­
дящим слоем ротора с улучшенными энергетическими показателями
в интервале мощности от долей ватта до десятков киловатт.
АД с токопроводящим слоем ротора всегда вызывали значи­
тельный интерес: достаточно назвать работы таких учёных, как
М.О.Доливо-Добровольский, Р. Рюденберг, К.И. Шенфер, И.С. Брук,
Г.И. Штурман. Дальнейшее развитие теории АД с РМ, АД с М Ф Р , а
также УАД отражено в работах большого числа отечественных и
зарубежных учёных: А.И. Вольдека, О.Н. Веселовского,
Ф.Н.Сарапулова, А.Я. Вилтниса, Х.И. Янеса, Е.Р. Лейсвейта,
С.Ямамуры, В.И. Постникова, В.М. Куцевалова, В.С.Могильникова,
А.И. Лищенко, К. Криштофа, Б. Чалмерса, Б.А. Артемьева, А.И.
Бертинова, Ю.С. Чечета, И.А. Вевюрко, В.В.Хрущёва, Г. Мозера, Е.
Хабигера и многих других.
Данная диссертация посвящена разработке элементов единой
теории асинхронных двигатслей с ТОКОАШОВОДЯШИМ слоем ротора.
БИБЛИОТЕКА
СПетерб
О*
щ
ys»^j
юА
Разработка оказалась бы невозможной без фундаментальной
научной базы, которую создали отечественные и зарубежные учё­
ные: А.И. Адаменко, Б. Адкинс, Г. Вудсон, А.В. Иванов - Смолен­
ский, И.П. Копылов, Г. Крон, М.П. Костенко, В.А. Кузнецов, И.М.
Постников, Р. Рихтер, Я . Туровский, Д. Уайт и другие.
Хотя АД с токопроводящим слоем ротора относятся к хоро­
шо изученному виду асинхронных электрических машин, теорети­
ческие и экспериментальные исследования разнообразных конст­
рукций с различными свойствами и структурой токопроводящего
слоя не систематизированы. Одним из перспективных путей разви­
тия их теории является направление, связанное с уточнением мате­
матических моделей и оптимизацией алгоритмов электромагнитных
расчётов, позволяющих определить рациональные варианты конст­
руктивной реализации данных двигателей. Ещё один путь ~ поиск
новых эффективных конструкций на основе анализа результатов ко­
личественного исследования параметров и характеристик базовых
конструкций АД с токопроводящим слоем ротора.
Таким образом, возникла объективная необходимость в оп­
тимизации имеющихся конструктивных решений АД с токопрово­
дящим слоем ротора с рядом свойств, зависящих от особенностей их
применения в различных технических системах, обобщении резуль­
татов теоретических и экспериментальных исследований, а также
повышении качества и сокращения сроков проведения проектных
работ, что предполагает создание уточненных математических мо­
делей, разработку эффективных алгоритмов и применение общих
методик расчета на основе единой теоретической базы.
Исследования выполнены в рамках комплексных программ
работ Министерства образования и науки Российской Федерации в
соответствии с планом ГБ и ХД НИР В Г Т У по электромеханическим
системам за период 1988-2005 год, а также тематике разделов
"Компьютерное моделирование" и "Мехатронные технологии" Пе­
речня критических технологий Р Ф (приказ министерства промыш­
ленности, науки и техники Р Ф №578 от 30 марта 2002 года).
Цель работы: разработка единой теоретической базы, пред­
назначенной для осуществления качественного и количественного
анализа параметров и 5сарактеристик конструктивных модификаций
АД с токопроводящим слоем ротора с учетом особенностей их при­
менения в технических системах.
задачи:
Для достижения поставленной цели решались следующие
выработка концепции электромагнитного расчёта АД с то­
копроводящим слоем ротора, обеспечивающей повышение устойчи­
вости и снижение времени процесса проектирования;
аналитическое описание электромагнитных процессов и
вывод выражений, предназначенных для определения рациональ­
ного соотношения между конструктивными размерами с учётом
электрических и магнитных свойств материала токопроводящего
слоя ротора с целью повышения энергетических показателей дви­
гателей;
определение структур и параметров расчётных моделей;
разработка методик, алгоритмов и программ расчета АД с
токопроводящим слоем ротора;
математическое моделирование электромагнитных процес­
сов;
численный анализ зависимостей характеристик двигателей
от конструктивных размеров и режимных параметров с учётом элек­
трических и магнитных свойств материала токопроводящего слоя
ротора;
разработка новых конструкций и создание опыгных образ­
цов АД с токопроводящим слоем ротора;
проведение экспериментальных исследований с целью про­
верки адекватности моделей и достоверности положений методик
расчета;
выработка научно обоснованных рекомендаций по проек­
тированию ряда перспективных конструкций АД с токопроводящим
слоем ротора.
Методы исследования. Решение поставленных задач предпо­
лагает широкое использование уравнений математической физики,
теории электромагнитного поля, электрических машин и цепей. В
ходе разработки математических моделей использованы конечноэлементный метод решения линейных и нелинейных дифференци­
альных уравнений в частных производных, а также итерационные
методы решения систем алгебраических уравнений. Для исследова­
ния электромагнитных процессов использовались классические ме­
тоды решения дифференциальных уравнений, а также гармониче­
ского анализа. Достоверность результатов и оценка их точности
3
подтверждается сравнением с экспериментальными данными и ре­
зультатами компьютерного моделирования, полученными в данной
работе, а также исследованиями авторов других работ.
Научная новизна.
1. Разработана концепция электромагнитного расчёта АД с
токопроводящим слоем ротора, отличающаяся тем, что в соответст­
вии с ней электромагнитный расчёт чередуется с оценочным расчё­
том при П0М01ЦИ выражений, связывающих параметры двигателей с
входными данными, используемыми при создании конечноэлементной модели машины, что позволяет направленно учитывать
количественные результаты, полученные на предыдущем этапе рас­
чёта методом конечных элементов (МКЭ) или на основе методов
теории цепей, применяемых для таких конструкций, анализ которых
связан с повышенными затратами времени создания и расчёта ко­
нечно-элементных моделей.
2. Получены выражения, позволяющие рассчитать распреде­
ление напряжённостей электрического и магнитного полей в по­
верхностном слое зубчатого массива с короткозамкнутой стержне­
вой обмоткой при произвольном соотношении между конструктив­
ными параметрами МФР.
3. Получены выражения для расчёта параметров стержней
короткозамкнутой обмотки в схемах магнитных цепей с учётом
влияние примыкающего к ним поверхностного слоя зубчатого М Ф Р
и проведено расчётное исследование зависимостей составляющих
сопротивления стержня от конструктивных и режимных параметров
двигателей.
4. Получены выражения, определяющие двумерный закон
распределения плотности вихревых токов в пределах участка нефер­
ромагнитного токопроводящего слоя ротора, соответствующего
зубцовому делению статора.
5. Получены выражения для расчета параметров участка не­
ферромагнитного токопроводящего слоя ротора, соответствующего
зубцовому делению статора, а также выполнены расчётные исследо­
вания, позволившие определить зависимости составляющих сопро­
тивлений данных участков от конструктивных и режимных пара­
метров двигателей.
6. Получены выражения, позволяющие определить рацио­
нальное соотношение между длиной вылета гильзы ротора и длиной
4
окон в его торцевых частях, а также их координаты относительно
пакета статора УАД с перфорированным полым ротором.
7. Для моделей АД с не перестраиваемой конечноэлементной структурой предложен способ учёта механической
мощности ротора, состоящий в том, что механическая мощность
учитывается равной ей мощностью электрических потерь в его ма­
териале, для обеспечения которого использована возможность опре­
деления в модели удельной электрической проводимости областей
токопроводящего слоя ротора (то же касается обмоток, если таковые
содержатся в его конструкции) в функции скольжения.
8. Получены новые конечно-элементные модели АД с токопроводящим слоем ротора, для которых определены граничные ус­
ловия и типы конечных элементов. На основе данных моделей вы­
полнен расчёт электромагнитного поля и получены характеристики
различных конструкций АД с токопроводящим слоем ротора.
9. В результате определения параметров в краевых зонах мо­
делей АД с Р М , полученньпс на основе теории цепей, решена задача
учета потоков рассеяния при растекании токов в сплошном нефер­
ромагнитном токопроводящем слое за пределы активной области.
10. Разработгана метгодика расчета АД с токопроводящим
слоем ротора, заключающаяся в решении ряда задач расчёта элек­
тромагнитного поля на основе теории цепей, в ходе которого пара­
метры, полученные при решении предыдущей задачи, используются
для нахождения параметров последующей.
11. В соответствии с методикой расчёта АД с токопроводя­
щим слоем ротора на основе теории цепей разработаны алгоритмы и
программы, обеспечивающие выполнение поверочного расчета и вне­
сение изменений в исходные данные в диалоговом режиме работы.
Практическая значимость.
1. Разработаны программы, позволяющие исследовать влия­
ние конструктивных размеров, параметров и свойств используемых
материалов на характеристики и показатели АД с широкой гаммой
конструкций роторов, содержащих токопроводящий слой, а также
программы электромагнитного расчета таких двигателей на основе
методов теории цепей.
2. Для перспективных конструкций А Д с токопроводящим
слоем ротора выработаны научно обоснованные рекомендации по
проектированию, направленные на повышение эксплуатационных и
5
энергетических показателей, позволяющие исходя из электромаг­
нитных нагрузок, механических, пусковых и регулировочных харак­
теристик определять совокзтности конструктивных размеров двига­
телей и параметров токопроводящего слоя ротора, обеспечивающие
требования технического задания.
3. Определены эффективные с точки зрения энергетики кон­
струкции АД с зубчатым МФР, а также выработан критерий по оп­
тимизации их параметров.
4. Разработаны конструкции двигателя двойного питания с
массивным дисковым ротором и УАД с перфорированным полым
ротором.
5. Созданы опьггные образцы АД с различными конструк­
циями ротора, а также база для проведения экспериментальных ис­
следований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Концепция электромагнитного расчёта АД с токопроводящим
слоем ротора, заключающаяся в сочетании численньпс методов или ме­
тодов теории цепей с расчётами на основе вьфажений, связывающих
ингефальные параметры двигателей с входными данными, используе­
мыми при создании конечно-элементной или цепной модели, с учётом
полученных на предьщущем этапе численных результатов.
2. Математические модели для расчета электромагнитных
процессов в АД с токопроводящим слоем ротора.
3. Результаты аналитического решения задачи распределе­
ния напряжённостей электрического и магнитного полей в поверх­
ностном слое массивного зубчатого ротора с торцевыми короткозамыкающими кольцами, а также со стержневой короткозамкнутой
обмоткой при произвольном соотношении между конструктивными
параметрами ротора с учетом насьпцения материала массива, толщинного эффекта и рассеяния магнитного потока в паз, а также вы­
ражения, полученные для расчёта эквивалентных параметров зубча­
того М Ф Р в схеме магнитной цепи и результаты расчётного иссле­
дования в виде зависимостей составляющих сопротивлений от ос­
новных конструктивных и режимных параметров двигателей.
4. Результаты аналитического решения двумерного распре­
деления плотности вихревых токов в пределах участка токопрово­
дящего слоя гладкого ротора, соответствующего одному зубцовому
делению статора, а также выражения для расчета параметров этого
участка в схеме магнитной цепи и результаты расчётных исследова­
ний, полученные в виде зависимостей составляющих электрических
сопротивлений участков от конструктивных и режимных парамет­
ров двигателей соответствующих исполнений.
5. Конечно-элементные модели АД с токопроводящим слоем
ротора, для которых определены необходимые граничные условия и
типы конечных элементов.
6. Способ учёта механической мощности ротора в моделях
АД с не перестраиваемой конечно-элементной структурой, который
состоит в том, что механическая мощность учитывается равной ей
мощностью электрических потерь в его материале, позволяющий
сократить время численного моделирования без снижения точности
получаемых результатов.
7. Методика расчета АД с токопроводящим слоем ротора,
заключающаяся в решении ряда задач расчёта электромагнитного
поля на основе теории цепей, в ходе которого параметры, получен­
ные при решении предыдущей задачи, используются для нахожде­
ния параметров последующей.
8. Алгоритмы и программы, обеспечивающие выполнение
поверочного расчета, а также внесение изменений в набор исходных
данных в диалоговом режиме работы. Данные программы позволя­
ют проводить расчетно-теоретическое исследование влияния конст­
руктивных размеров, режимных параметров и свойств материалов
на электромагнитные нагрузки, энергетические показатели, а также
механические, пусковые и регулировочные характеристики.
9. Конструкции линейного двигателя двойного питания с
массивным дисковым ротором и УАД с перфорированным полым
ротором.
10. Расчётные зависимости характеристик ряда перспектив­
ных конструкций АД с токопроводящим слоем ротора от размеров
активных частей и режимных параметров.
11. Результаты экспериментов, подтверждающие необходи­
мую для практики точность разработанных методик расчёта.
12. Содержание рекомендаций по проектированию, направлен­
ных на повьпиение эксплуатационных и энергетических показателей.
Реализация результатов работы. Основные результаты рабо­
ты были использованы в ходе разработки и исследования АД с Р М
для электроприводов устройств загрузки пресса листовыми ферро-
магнитными заготовками, а также транспортировки кассет для сбо­
рочных комплексов деталей бытовой видеотехники в НТШ
"ВИДЕОФОН", г. Воронеж; проектирования АД с Р М и массивным
дисковым ротором для двухкоординатных электроприводов мехатронных модулей в НИИ К М Т П при M l 1 У им. Баумана, г. Москва;
проектирования АД с М Ф Р для тяговых приводов бухтонамоточных
станков, используемых в составе оборудования кабельных линий в
ОООПКФ "Воронежкабель", г. Воронеж; проектирования УАД с
перфорированным полым ротором для установок микролитографии
в ОАО НИИПМ, г. Воронеж; разработки и исследования АД с токопроводящим слоем ротора (АД с зубчатым МФР, многоэлементных
АД с Р М и дисковым М Ф Р , а также УАД с перфорированным по­
лым ротором) для ОООНПК "ЭЛТОН-ЭНВО", г. Воронеж.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научнотехнической конференции "Современные проблемы электромехани­
ки" (г. Москва, 1989); на 9-й Всесоюзной научно-технической кон­
ференции по проблемам автоматизированного электропривода (г.
Москва, 1991); на Всероссийской наз^ной конференции "Совер­
шенствование наземного обеспечения авиации" (г. Воронеж, 1999).
Публикации. Основные результаты исследований опублико­
ваны в 45 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, 5 статьях
в изданиях, рекомендованных В А К Р Ф , 6 авторских свидетельствах
и патентах, а также в 32 статьях и сборниках материалов всесоюз­
ных и всероссийских конференций.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем
разработаны математические модели, получены выражения, проведены
и обработаны результаты расчётов, разработаны методики электромаг­
нитного расчёта и экспериме^пальных исследований [1, 2]; разработа­
ны конструкции асинхронных двигателей с токопроводящим слоем
ротора [8 - 13]; определены требования к электромеханической части,
рассмотрены режимы работы, составлены уравнения [3, 14, 15, 17, 18];
произведён вывод уравнений, получены математические модели и ме­
тодики расчёта, выполнен анализ результатов [16, 19 - 38,43 - 45].
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из
введения, шести глав, заключения, списка литературы из 237 наиме­
нований и пяти приложений. Объём работы составляет 296 страниц,
включая 111 рисунков и 2 таблицы.
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформули­
рованы основная цель и задачи исследования, определена научная
новизна, показана практическая значимость, изложены основные
положения диссертации, выносимые на защиту, а также показаны
реализация и апробация полученных научных результатов.
В первой главе рассмотрены вопросы классификации и оп­
ределения вида АД с ротором, содержащим токопроводящий слой.
Хотя двигатели с токопроводящим слоем ротора относятся к хорошо
изученному виду асинхронных машин, научный интерес к ним обу­
словлен проявлением эффектов, связанных с распределением пара­
метров электромагнитного поля в тoкoпpoвoдяп^eм слое: поперечно­
го краевого эффекта, обусловленного растеканием вихревых токов,
поверхностного эффекта, связанного с затуханием электромагнит­
ной волны в ферромагнитном массиве, а в двигателях с разомкну­
тым магнитопроводом ещё и продольного краевого эффекта, обу­
словленного их магнитной и электрической асимметрией. Распреде­
ление поля зависит не только от геометрических размеров, электри­
ческих и магнитных свойств, но и от структуры и конструкции слоя.
К АД с токопроводящим слоем ротора относятся АД с М Ф Р
и УАД с полым ротором, а также АД с РМ: дугостаторные АД, пло­
ские линейные АД с дисковым ротором и линейные АД с цилиндри­
ческим или плоским бегуном (вторичной цепью), содержащим токо­
проводящий слой. Характерным для АД с М Ф Р является наличие
поверхностного эффекта, У А Д - поперечного краевого эффекта, АД
с Р М - продольного краевого эффекта.
Так как АД с М Ф Р по сравнению с АД единых серий имеют
более высокий динамический к.п.д., большие механическую проч­
ность и коррозионную устойчивость ротора к воздействию химиче­
ски активных сред, их применяют в приводах, где основные потери
в электрической машине происходят во время пуска или реверса, в
высокоскоростных безредукторных приводах, в приводах повышен­
ной надёжности и в бессальниковых насосах с "мокрым" ротором.
УАД широко применяются в системах автоматики. Основ­
ные требования к ним - высокое быстродействие; линейность меха­
нических и регулировочных характеристик; отсутствие самохода.
Обеспечение всех требований связано с повышением сопротивления
ротора, поэтому основным ограничением на эти параметры является
соответствие приемлемым энергетическим показателям.
Среди АД с РМ большой интерес вызывают многоэлемент­
ные электрические машины, в которых можно обеспечить совмеще­
ние поступательного и вращательного видов движения при одно­
временном регулировании скоростей конструктивных элементов
электромеханической части.
Наиболее полное представление о характере протекания
электромагнитных процессов в АД с токопроводящим слоем ротора
дают численные методы расчета поля, в частности М К Э . Главной
проблемой, возникающей при этом, является анализ полученных
результатов с точки зрения нахождения ращгонального варианта со­
вокупности геометрических и прочих входных параметров конечноэлементной модели без существенных затрат времени для генерации
большого числа вариантов машины.
Разработанная концепция электромагнитного расчёта АД с
токопроводящим слоем ротора состоит в сочетании возможностей
различных методов исследования: расчёт электромагнитного поля
выполняется на основе ^ Ж Э , при этом каждому последующему ва­
рианту констрзтсгивной реализации двигателя предшествует оце­
ночный расчёт, производящийся при помощи выражений, связы­
вающих параметры рассчитанного двигателя с входными данными,
необходимыми для создания его оптимизированной конечноэлементной модели, что позволяет направленно учитывать количе­
ственные результаты расчёта М К Э (насьпцение участков магнитной
цепи).
Выражения, необходимые для проведения оценочных расчё­
тов, являются результатами аналитического исследования электро­
магнитных процессов областей АД с токопроводящим слоем ротора,
имеющих конкретные геометрические размеры и физические свой­
ства, которые являются входными параметрами при построении ко­
нечно-элементных моделей.
Если анализ реальной конструкции на основе М К Э связан с
повышенными затратами времени создания и расчёта конечноэлементных моделей, особенно для случаев, когда необходим трёх­
мерный (3-D) анализ, возможно применение методики на основе
теории цепей, которую следует рассматривать как приближённый
вариант М К Э . Данный подход в части анализа сохраняет по воз­
можностям преимущества классического подхода на основе элек­
трических схем с сосредоточенными параметрами, а по точности
приближается к численному методу конечных элементов.
10
Во второй главе приведены результаты аналитического ис­
следования электромагнитных процессов базовых конструкций АД с
токопроводящим слоем ротора, в ходе которого определены пара­
метры участков токопроводящего слоя. Полученные выражения ис­
пользуются для нахождения входных параметров двигателей при
конечно-элементных расчётах.
В ходе анализа зубчатого М Ф Р со стержневой короткозамкнутой обмоткой все электрические и магнитные параметры, а также
геометрические размеры, входящие в расчет, определены как из­
вестные величины. Никаких соотношений между длиной зубца i,
шириной b и высотой h паза М Ф Р не устанавливается. Составляю­
щие напряжённостей Ё^ и Н^ определяются выражениями:
Ё х = J • -у- • Ф(у=о) • [к • sh(py)-i- c h ( ^ y ) ] ,
где к = jio .Z(,)n -^/р ; Z(,) = A ^ / v V T ; А = 1,11 +jl,85;
Р^ =l^oZ(,)„-^/b + j(x)2YlAo.
Hz = " ^ Ф ( у = о ) - [ 5 Ь Ы + к с Ь ( ^ у ) ] .
Для сопротивления стержня и примыкающих к нему стенок
паза М Ф Р при произвольном соотношении h и b получаем
Z3,c=i^cth(a).K„,
bp
(1)
где: a = p h ; К „ =l-k/(ch(a)-(k-ch(a)-i-sh(a))).
Для МДС участка поверхности зубчатого М Ф Р со стержневой
короткозамкнутой обмоткой окончательно получаем:
Fci=H,.-h-Ko,
(2)
где: К о = - ^ ; К^ =Ь2 .p/(ctn(a>K„-h).
I-Kh
Выражения (1), (2) используются для определения параметров
АД с зубчатым М Ф Р как с короткозамкнутой обмоткой, так и без
неё. На основании (1), (2) исследуются зависимости 2э2с и F Q от
конструктивных размеров с целью нахождения интервалов их ра­
циональных значений (позволяет уменьшить объём работ при ко11
нечно-элементном моделировании), а также определяются парамет­
ры схемы магнитной цепи АД, относящиеся к МФР. Значения маг­
нитной проницаемости на поверхности участков зубцового слоя
М Ф Р Hei определяются по результатам расчёта М К Э .
При анализе токораспределения в неферромагнитном токопроводящем слое толщиной Д все электрические постоянные и геомет­
рические размеры, входящие в расчет, предполагаются известными
величинами. Определим область развёртки поверхности неферро­
магнитного токопроводящего слоя I, соответствующую расчетной
длине L. Области П, Ш соответствуют вылетам ротора длиной L' за
пределы L. Ось X - тангенциальная. Ось Y - аксиальная.
В результате анализа получены выражения для составляю­
щих плотности токов в активной (I) и лобовой (II) областях г-го уча­
стка поверхности полого ротора:
_ Ci i •(ch(7k7-a-y)-ch(A')-B'sh(A'))
''' ~
k2-a^-(ch(A')+B'sh(A'))
'
^^^
где ^(, = [io-Y2-t«Ji/a2; а.-%1\;
k2=j-^o-A/8';
Ci,,=-(Hi,.^i-Hi,i_i)-(?o-(l-s)-a+J-2t,-a2-?o)/(4-tb-'
А ' = д/к7- а • L /2;
B^=^-a-(L'-L)/2,
ivi =
"'
—
Ci.i-Ax-shyk7-a-y)
7^a-(ch(A')+B'sh(A'))'
C,_,sh(A')(L'/2-y)
*уП
(5)
^■a-(ch(A')+B'-sh(A'))'
C,r^x-^h(A-)
•xll~
(4)
(6)
^•a(ch(A')fB'sh(A')y
В рамках допущений, характерных для методов теории це­
пей, рассмотрим участок неферромагнитного токопроводящего слоя
ротора. При этом шаг дискретности модели в области расчетного
12
зазора соответствует зубцовому делению статора.
С учетом того, что г^ j является функцией координаты у, а
распределение тока в однородной изотропной области I, принятое
симметричным относительно оси X , не зависит от координаты х на
tz, можно определить усредненное значение напряженности состав­
ляющей магнитного поля на элементарном участке.
Усредненное значение МДС /-го участка ротора:
Р2., = Н с 2 . , - А ,
(7)
С, , •A-tz(ch(A') + B'-sh ( л ' ) - 8 Ь ( л ' ) / Л ' )
'"^
""-'^
'
k2-a2.8'.(ch(A')+B'-sh(A'))
'
Магнитное сопротивление участка расчетного зазора глуби­
ной kg А, соответствующее tz, определяется выражением:
2д, =Кд' +2д';,
(8)
гдеКд, = к а . К д ; R^ =
А/^1о-^^);
2дч =-Hii/(H,i +Нс2.,]-Кд.
Параметр Z д/i является магнитным сопротивлением, опреде­
лённым с учётом влияния потоков рассеяния i-ro участка неферро­
магнитного токопроводящего слоя постоянной толщины, охваты­
вающих лобовые части нитей тока, расположенных в пределах дли­
ны стали статора, а также электрических потерь от вихревых токов.
На основании (7), (8) с целью снижения объёма работ при
построении конечно-элементных моделей исследуются зависимости
Fj , и ZA, от констр5Тстивных размеров, а также определяются пара­
метры схем магнитной цепи, относящиеся к неферромагнитному
токопроводящему слою.
В полом роторе У А Д дно гильзы играет роль сверхпроводя­
щего короткозамыкающего кольца, поэтому коэффициент увеличе­
ния сопротивления, обусловленный поперечным краевым эффектом,
зависит от распределения токов ротора в области, примыкающей к
сплошному "лобовому" участку поверхности гильзы со стороны её
торца, противоположного дну гильзы.
Геометрия окон перфорированного полого ротора определяет­
ся на основе полз^енных законов токораспределения в неферромаг13
нитном слое постоянной толщины. Приравняв выражения (3) и (4)
для координаты края окна в активной зоне получаем:
f
1
г-
N
- arctg D
j-V^"-«
(9)
где P = j . ^ . « . | +arctg j ^ - j - ^ - a - ^ ^ j ; D = - j . ^ . a . A x .
Параметр Ax соответствует шагу дискретгности модели по
оси X. Если Лх= tz —♦ ^ и вьшет ротора за пределы активной длины
(L'-L)/2 —* ^, где Ъ, - достаточно малая величина, то на основании (9)
получаем у'= L - L'/2. Для всех у, интервала у' < у, < L/2 выполняется
соотношение ixi > iyi. Таким образом, определена часть активной
области ротора, в которой преобладают составляющие тока вдоль
оси X. Она вьтолняет функции лобовых частей эквивалентной об­
мотки ротора. Аксиальный размер окна Lo = (L' - L)/2. Окна в роторе
выполнены в зоне, примыкающей к сплошному "лобовому" участку
поверхности ротора, со стороны её торца, противоположного дну
гильзы ротора, в аксиальном направлении от окружности, соответ­
ствующей краю пакета статора, вглубь активной длины ротора на
величину LQ. При этом увеличивается активная составляющая тока
ротора, пропорциональная электромагнитному моменту; повьш1аются максимальный момент и к.п.д.
Результаты аналитического исследования электромагнитных
процессов в рассмотренных областях положены в основу анализа
моделей широкой гаммы конструкций АД с токопроводящим слоем
ротора, при этом за счёт увеличения доли аналитической переработ­
ки выходных данных повышается эффективность применения всех
использованных методов расчёта.
В третьей главе изложены результаты исследования элек­
тромагнитного поля различных конструкций АД с токопроводящим
слоем ротора на основе М К Э . Если в конечно - элементной модели
в качестве нагрузки с учётом фаз и в соответствии со схемой пер14
вичной обмотки задавать плотность тока, то для каждого значения
скольжения необходимо измерить эти токи на физической модели.
Для моделей с не перестраиваемой конечно-элементной
структурой предложен способ учёта механической мощности, кото­
рый состоит в том, что механическая мощность учитывается в моде­
лях равной ей мощностью электрических потерь в материале ротора.
При этом удельная электрическая проводимость токопроводящего
слоя ротора ум2 (то же касается элементов обмоток, если таковые
содержатся в конструкции) вводится в функции частоты вращения
или скольжения (juii = Ji, s).
Предложенный способ позволяет использовать в качестве
вектора нагрузок напряжения, приложенные с учётом фаз и в соот­
ветствии со схемой статорной обмотки при помощи конечноэлементных моделей с не перестраиваемой структурой, то есть сни­
зить требования к аппаратным ресурсам и сократить время генера­
ции расчёта без снижения точности результатов.
Для моделирования на основе предложенного способа суще­
ствует возможность использовать электромагнитный анализ, свя­
занный с электрическими цепями. Для этого необходимо к электри­
ческой схеме сети подключить геометрическую модель машины. На
статоре моделируются обмотки, выполненные в виде катушек. Каж­
дая качушка соответствует половине реальной. Катушки представ­
ляют собой нелинейные индуктивности, связанные в соответствии
со схемой обмотки в катушечные группы и в фазы. В качестве на­
грузки задаются напряжения питания с учётом их фазового сдвига.
Для того чтобы полз^ить полную картину электромагнитно­
го поля, весь слой моделируется как массив, который в двумерных
моделях имеет идеализированные короткозамкнутые условия.
Результаты решения задач электромагнитного расчёта в виде
картин распределения силовых линий магнитного поля для основ­
ных конструкций АД с токопроводящим слоем ротора на скольже­
ниях, равных единице, а в ЛД с М Ф Р и соответствующих номиналь­
ным мощностям, показаны на рис. 1 - 6. На рис. 7-9 приведены кар­
тины разбиения моделей на конечные элеметы. При моделирова­
нии использовался пакет ANSYS Multiphysics 5.7 - 7.1. Геометрия
моделей постоянная, картины поля соответствуют моментам време­
ни, определяемым значениями фаз заданных нагрузок. Нелинейные
свойства учитывались заданием основных кривых намагничивания
сталей.
15
Рис. 1. АД с гладким М Ф Р база 4A100L4, М Ф Р СТ-3
Рис. 2. АД с зубчатым М Ф Р база 4A100L4 МФР: СТ-3 Ьг = 12 мм
Рис. 3. АД с зубчатым МФР база 4А100L4 МФР: СТ-3 Нг = 18 мм
16
а
б
Рис. 4. УАД: а - база ДИД-0,5; б - база ДИД-5ТА
Рис. 6. ЛДДП с МДР
17
Рис. 7. Разбиение моделей АД с М Ф Р
'"'■ inV^PLW??
. 1 , •- *
а
б
*
\
\
Рис. 9. Разбиение моделей: а - ЛАД: б - ЛДДП с МДР
18
Граничные условия прикладываются к узлам, через которые
проходят соответствующие силовые линии. Для симметричных ци­
линдрических двигателей внешней поверхности корпуса соответст­
вует магнитная силовая линия, на которой комплексный векторный
потенциал магнитного поля А = 0. Поскольку эта же силовая линия
проходит через центр, то на оси машины А = 0.
В плоских АД с Р М и токопроводящим слоем ротора по­
верхности ярма индуктора со стороны, противоположной зазору,
соответствует силовая линия, на которой А = 0. В краевых зонах
этих машин практика расчётов показывает, что если область распро­
странения поля в модели в направлении, соответствующем длине
развёртки цилиндрического аналога, ограничена величиной 1/2т, то
дальнейшее увеличение данного размера не влияет на точность ко­
нечных результатов. Если вторичная цепь содержит ферромагнит­
ный массив, то его торцу, противоположному зазору, соответствует
силовая линия, на которой А = 0. Расширение области распростране­
ния поля в моделях АД с Р М практически не сказывается на величи­
не результирующей погрешности.
Плоские (2-D) конечно - элементные модели позволяют учи­
тывать поверхностный и продольный краевой эффекты, поэтому
наилучшие результаты имеют место при анализе таких АД с токо­
проводящим слоем ротора, в которых поперечный краевой эффект
выражен в наименьшей степени. Это АД с зубчатым МФР с торце­
выми короткозамыкающими кольцами и с зубчатым МФР с короткозамкнутой стержневой обмоткой, УАД с перфорированным по­
лым ротором, АД с Р М с шихтованным магнитопроводом, несущим
трёхфазную обмотку, или с массивным зубчатым магнитопроводом
с торцевыми короткозамыкающими кольцами, в том числе со
стержневой короткозамкнутой обмоткой.
Перспективы анализа М К Э конструкций АД с токопроводя­
щим слоем ротора, в которых поперечный краевой эффект оказывает
существенное влияние, связаны с применением 3-D конечно - эле­
ментных моделей. Вместе с этим следует подчеркнуть, что лучшими
по энергетическим показателям являются те конструкции, в которых
поперечный краевой эффект проявляется в наименьшей степени.
Наибольшее влияние на время расчёта при нормированной
точности конечного результата, помимо наличия соответствующих
нелинейностей, оказывают размеры конечных элементов и степень
19
соответствующих базовых аппроксимирующих функций, опреде­
ляемых числом узлов (вершин конечных элементов).
Численные исследования различных конструкций АД с токопроводящим слоем ротора показали, что главными факторами
влияния на точность результатов являются следующие: применение
двумерных конечно-элементных моделей для анализа объектов с
выраженным поперечным краевым эффектом; погрешности, связан­
ные с воспроизведением геометрии объекта в модели и аппроксима­
цией нелинейных свойств материалов его областей; число конечных
элементов разбиения и степень их базовых функций.
В четвёртой главе представлена методика расчёта АД с токопроводящим слоем ротора на основе теории цепей и дано описа­
ние разработанного программного обеспечения.
Применение моделей на основе схем магнитных цепей по­
зволяет сократить затраты времени, связанные с созданием 3-D ко­
нечно-элементных моделей машин с выраженным поперечным
краевым эффектом.
В рамках решения задачи разработки единой методики расче­
та АД с токопроводящим слоем ротора цепные модели объединены в
соответствии со структурой, построенной по иерархическому прин­
ципу в форме разветвляющегося древа в направлении от одной, базо­
вой, к более сложным, также соотаетствующим реальным физиче­
ским прототипам, отдельные части которых заимствованы из базовой.
За базовое конструктивное исполнение принят УАД с неферромагнигным токопроводящим слоем Фрагмент схемы магнитной
цепи УАД показан на рис. 10, а. Фрагмент схемы магнитной цепи АД
с гладким М Ф Р с учетом насыщения массива показан на рис.10, б.
Фрагмент схемы магнитной цепи АД с М Ф Р с учетом насыщения
статора показан на рис. 10, в. Фрагмент схемы АД с зубчатым М Ф Р
показан на рис. 10, г.
Особенностью магнитных схем АД с Р М является наличие в
краевых зонах модели магнитных сопротивлений шунтирования, а
также параметров, относящихся к вторичной цепи (учитывают рас­
текание тока в конструкциях с "длинной" вторичной цепью).
Схема магнитнбй цепи в. краевой зоне модели АД с Р М с не­
ферромагнитным токопроводящим слоем показана на рис.11, а.
Схема магнитной цепи АД с Р М с учетом насыщения материала
ферромагнитного массива показана на рис. 11,6.
20
с£>
Ro..
R^lrt
Ф
фР«
-сзфк,„
-5P-
фк>м
Fw
IR.^
RM
Za,
-^
-CZH
R^6'
Zjc/
5ц
Qz*
[Jzx,.,
ФР,Ь
t^
QR..
фр»« фр»,
C>BM
Z™,,
jcrj—сЗ—@-rC=^
()F„W
- ^
Рис. 10
Qz,
О : Эшз
Qz.,
hz„
Ij^
Q^^^
nz„
QZ»,
(JZ.,
фр».
Ф Ч ^D*'* ^D'^''. ^0».'
фРш
C)F™
Г^"" rSl"' Г^"" Г^'
Рис.11
21
Q-^
С)!".
Г^"
Qz*.»
b.-
фР,з
Методика расчета магнитной цепи АД с РМ базируется на
результатах, полученных для симметричных АД с МФР. На основе
данной методики в краевых зонах АД с Р М обеспечивается возмож­
ность учета влияния вторичньпс токов, растекающихся в неферро­
магнитном токопроводящем слое и в ферромагнитном массиве.
Решение систем линейных уравнений с комплексными ко­
эффициентами проводилось с использованием пакета прикладных
программ MATLAB. Разработанные программы объединены в рам­
ках библиотеки "Электромагнитный расчет АД с токопроводящим
слоем ротора". Эти программы состоят из ряда модулей: программы
расчёта параметров, программы моделирования электромагнитных
процессов и программы ввода-вывода.
В пятой главе приведены результаты исследования влияния
геометрии и свойств токопроводящего слоя ротора на параметры и
показатели ряда перспективньк конструкций двигателей.
В качестве исследуемых моделей АД с М Ф Р выбраны маши­
ны со статором серийного АД 4A100L4 и зубчатым МФР, изготов­
ленным из стали СТ-3 с торцевыми короткозамыкающими кольцами
из меди МЗ, а также с зубчатым МФР со стержневой короткозамкнутой обмоткой из алюминия А7. В ходе исследования сопротивле­
ния стержня короткозамкнутой обмотки и поверхностного слоя
примьпсающего к нему материала М Ф Р Ъгс получены зависимости
его составляющих от высоты зубца Ьг, ширины паза Ь, длины зубца
и частоты перемагничивания ротора для различных состояний на­
сыщения магнитной цепи машины (интервал значений относитель­
ной магнитной проницаемости на поверхности массива 500-^6000).
Зависимости модуля и фазы Ъ^с от Ьг имеют ярко выражен­
ные экстремумы, что свидетельствует о существовании наилучшего
соотношения между конструктивными параметрами зубцовой зоны
optim (Ь/Ьг) с точки зрения обеспечения миним)^а активной состав­
ляющей Zac, влияющей на к.п.д. двигателя, а также минимума вели­
чины его фазы, влияющей на коэффициент мощности. Выявленная
закономерность использована в качестве основного подхода к опти­
мизации зубцовой зоны ротора АД с МФР.
Для сокращение времени проектных расчётов УАД с перфо­
рированным ротором важно определить рациональные области из­
менения входных параметров. Исследования проводились для моде­
лей со статорами серии ДИД: ДИД-0,5 и ДИД-5ТА, За базовые зна22
чения параметров приняты их величины в двигателях ДИД-0,5 и
ДИД-5ТА. При изменении в такой группе одного из параметров в
заданном интервале остальные приравнивались к базовым. В ходе
проведённых исследований составляющих сопротивления участков
полых роторов ДИД-0,5 и ДИД-5ТА получены зависимости модуля,
фазы, активной и реактивной составляющих от скольжения, длины
вылета и толщины гильзы ротора, длин суммарного немагнитного
зазора, пакета и зубцового деления статора, а также полюсного де­
ления в относительных единицах. Установлены ращюнальные соот­
ношения между полюсным делением, длиной пакета статора и дли­
ной вылета гильзы ротора.
Повышенный интерес вызывают многоэлементные АД с Р М ,
одним из которых является линейный двигатель двойного питания
(ЛДЩ1) с массивным дисковым ротором (МДР), содержащий индзлктор статора (ИС), имеющий трехфазную обмотку управления
(ОУ), подвижный индуктор (ПИ), имеющий трехфазную обмотку
возбуждения (ОВ), установленный с возможностью поступательного
перемещения в направляющих, а также МДР, установленный с воз­
можностью вращения относительно жестко закреплённой на ПИ
оси, которая перпендикулярна торцам диска.
Тяговые и энергетические показатели ДДДП с МДР опреде­
лялись в функциях конструктивных зазоров между ИС и ПИ, а так­
же ПИ и МДР, толщины токопроводящего слоя МДР, полюсного
деления, активной длины, частоты тока в ОВ, скольжения ПИ, угла
фазового сдвига между токами ОВ и ОУ. На основе анализа пол>'ченных зависимостей разработаны рекомендации по проектирова­
нию ДДДП с МДР.
В шестой главе приведены результаты экспериментальных иссле­
дований ряда конструкций АД с токопроюдящим слоем ротора.
Испытания АД с М Ф Р проводились на опьггных образцах с
тремя конструктивными исполнениями МФР: гладкий (Ml), гладкий
с неферромагнитным токопроводящим слоем (М2) и зубчатые
(h2=12 мм, h2=18 мм) с торцевыми короткозамыкающими кольцами
(МЗ). В качестве базы использован статор серийного двигателя
4A100L4. Испытательная установка и зубчатый ротор показаны на
рис. 12, а.
Расчет M l на основе М К Э дает погрешность до 20%. Это
объясняется тем, что расчетная модель данной машины бьша полу­
чена при идеализации ее торцевой зоны (2-D модель).
23
^шж^^^-^
"А-о
*%Т
Р/Л^г^^^тф-'-':
yi^»''',^
rlv'^'^'^A^
'^.':'Щ^^ :.<^}:f^
* я
■ * . ,
"VJ ^
-Ч «ц.^йй?*'
Рис. 12. Испытания АД с токопроводящим слоем ротора:
а - АД с МФР; б - УАД; в - линейный АД с Р М ; г - ЛДЦП с МДР
24
Хорошую сходимость с экспериментом обеспечивает мето­
дика расчёта АД с гладким М Ф Р на основе теории цепей. Результи­
рующая погрешность в среднем 10 % .
Расчёт М К Э АД с гладким МФР, несущим неферромагнит­
ный токопроводящий слой, также дает сходимость порядка 20 % .
Методика на основе теории цепей даёт погрешность около 10 %.
Параметры участков неферромагнитного токопроводящего слоя в
модели, полученной на основе теории цепей, определены с учетом
поперечного краевого эффекта. Параметры массива определены с
учетом насыщения, но при идеализации торцевых зон.
Расчет МЗ на основе М К Э даёт наилучшие результаты: расхо­
ждение с экспериметом менее 5%. Методика на основе теории цепей
обеспечивает точность результатов порядка (10-^15) % , при этом для
высоких скольжений расчетные механические характеристики идут
Bbmie экспериментальных, снятых в квазиустановившемся режиме ра­
боты (пренебрежение изменением Це на tz2, в ходе анализа на основе
теории цепей снижает точность расчетов).
Испытания УАД проводились для двигателей с перфориро­
ванными полыми роторами. В качестве базы для данных УАД ис­
пользованы статоры ДИД-0,5 и ДИД-5ТА, Ьо^^^Ьд, толщины гильз
роторов и величины конструктивньк зазоров не изменялись. Испы­
тательный стенд показан на рис. 12, б.
Экспериментальные характеристики подтверждают, что в
У А Д с перфорированным полым ротором по сравнению с базовым
серийным двигателем за счёт наличия окон в полом роторе, распо­
ложенных в области активной длины машины, соотношение между
аксиальными составляющими вихревых токов ротора, обеспечи­
вающими создание электромагнитного момента, и тангенциальными
(лобовыми) составляющими увеличивается в пользу аксиальных то­
ков, за счёт чего растут значения электромагнитного момента.
Данные экспериментальных исследований УАД показывают
сходимость с расчётом порядка 5-^10%. Применение перфорирован­
ного ротора позволяет обеспечить высокие пусковые свойства, от­
сутствие самохода и линейность механических и регулировочных
характеристик при лз^ших энергетических показателях.
Линейный АД с Р М и коротким индуктором (модель М4),
показан на рис. 12, в. Многоэлементный ЛДДП с МДР (М5) показан
на рис. 12, г. Экспериментальные данные в целом подтверждают
полученные теоретические результаты.
25
Электромагнитный расчет М К Э (2-D модели) для М4 дает
погрешность порядка 10 % . Расчёт М К Э М5 в зазоре между индук­
торами обеспечивает высокую точность совпадения с эксперимен­
том (погрешность менее 10 % ) . В зазоре между ПИ и МДР погреш­
ность расчёта М К Э существенно выше. Методика на основе теории
цепей для М4 и М5 в целом даёт хорошие результаты (погрешность
не превышает 10 % ) .
В приложениях приведены: результаты моделирования электромагнитньпс процессов М К Э , структурные схемы программ элек­
тромагнитных расчётов, параметры различньпс конструкций АД с
токопроводящим слоем ротора и акты о внедрении.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
При помощи проведённых в диссертации теоретических и экс­
периментальных исследований на основе единой теоретической базы
созданы уточненные математические модели, общая методика расчёта
и разработаны алгоритмы задач проектирования различных конструк­
ций АД с токопроводящим слоем ротора с рядом свойств, зависящих от
особенностей их применения в технических системах, что позволило
повысить качество и сократить срок проектных разработок новых кон­
струкций данных двигателей. Вьшолненные исследования позволили
сформулировать следующие основные результаты.
1. Разработанная концепция электромагнитного расчёта позволя­
ет направленно учитывать количественные результаты, полученные на
предыдущем этапе вьшолнения электромагнитных расчётов.
2. Полученные выражения для расчёта распределения напряжённостей электрического и магнитного полей в поверхностном слое зубча­
того МФР с короткозамкнугой стержнеюй обмоткой, распределения
плшности вихревых токов в пределах участка неферромагнишого токопроводящего слоя ротора, соответствующего зубцовому делению стато­
ра, значений эквивалентных параметров участков различных конструк­
ций токопроводящего слоя ротора, а также выражения, позволяющие
определить рациональное соотношение между длиной вылета гильзы и
длиной окон перфорированного полого ротора УАД, позволили увели­
чить долго аналитически перерабатываемой информации, повысив тем
самым эффективность rrpjiMeHeHHfl МКЭ, а также методов теории цепей,
использованных для моделирования электромагнитных процессов.
3. Предложенный способ учёта механической мощности ротора позюляет использовать в качестве вектора нафузок модели напряжения пер­
вичных обмоток, чю даёт возможность решать задачу проектирования
26
пракгачески любой конструкции А Д на основе компактных конечноэлементных моделей с не перестраиваемой структурой, т.е. позволяет сни­
зить требования к аппаратным ресурсам компьютера и coiq)aTifib время
проектирования без снижения точносга получаемых результатов.
4. Новые конечно-элементные модели, для которых определены
граничные условия, соответствующие характерным особенностям
протекания электромагнитных процессов в их физических прототи­
пах, а также типы конечных элементов позволили выполнить расчёт
электромагнитного поля и получить выходные характеристики широ­
кой гаммы конструкций А Д с токопроводящим слоем ротора, обеспе­
чили достаточную для инженерной практики точность расчёта.
5. Разработанная на базе теории цепей методика расчета магнит­
ного поля А Д с токопроводящим слоем ротора с выраженным попе­
речным краевым эффектом, на основании которой параметры участ­
ков магнитной цепи и значения контурньк потоков в расчетном за­
зоре определяются в ходе решения систем уравнений, полученных
для ряда расчетньк моделей, объединенных в соответствии со
структурой, построенной по иерархическому принципу в форме раз­
ветвляющегося древа моделей в направлении от базовой модели к
более сложным, обеспечивает рациональное соотношение между
объемом расчётных работ и точностью конечных результатов.
6. AnropfflTvibi и программы, полученные в соответствии с методикой
расчёта на базе теории цепей, обеспечивающие вьшолнение повфочного
расчета, а также внесение изменений в набср исходных данных в диалого­
вом режиме работы, позволяют решать задачи вариантного проектирования
двигателей. Наличие методик расчета, программного обеспечения, а также
моделей для пакетов объектно-ориентированных профамм позволяет вы­
полнять электромагнитные расчёты двигателей, существенно отличаюшдася в конструктивном отношении, что даёт возможность не только умень­
шить сроки дорогостоятцих проектных работ, но и решать задачи подготов­
ки и переподготовки инженерш>технических кадров.
7. В результате определения параметров в iqjaeBbix зонах моделей
на основе схем магншных цепей решена задача учета потоков рассеяния
А Д с Р М при растекании токов в неферроматнишом токопроводящем слое
вторичной цепи за пределы акшвной обласга.
8. Методика расчета, разработанная на основе М Ю и аналитиче­
ских выражений, связьшающих параметры двигателей с входными пара­
метрами, необходимыми для построения конечно-элеметных моделей, а
27
также методов теории цепей, позволяет обеспечить необходимую для ин­
женерных расчетовточность,что подгверяодено экспериментальными ис­
следованиями широкой гаммы АД стокопроводящимслоем ротора.
9. На основе количественного исследования влияния геометрии и
стойствтокопроводящегослоя материала ротора на параметры и показатели
АД получены практические рекомендации для проектирования, позволяю­
щие определять предпочтительные соотношения между конструктивными
п^аметрами перспекгивньк конструкций АД стокопроводящимслоем
ротора. Разработанные рекомендации позволяют повысить эффективность
определения параметров, обеспечиваюшрк выходные характеристики.
10. Результаты проведенных исследований АД с различными вари­
антами реализагдии МФР позюлили определить конструкции, наиболее эф­
фективные сточкизрения энфгетики, а также выработать и эксперимен­
тально оценить адекватность 1фитериев по оптимизации их параметров.
11. Исследования электромагнитных процессов в УАД с по­
лым ротором позволили определить эффективную с точки зрения
энергетики конструкцию АД с перфорированным полым ротором, в
которой обеспечивается подавление поперечного краевого эффекта.
12. Разработанные ЛДДП с МДР позволяют расширить
функциональные возможности электропривода транспортных моду­
лей, резательных и шлифовальных установок, а также устройств ав­
томатической подачи, в которьк без использования промежуточных
передаточньгх звеньев требуется обеспечить совмещение поступа­
тельного и вращательного видов движения, а также раздельное ре­
гулирование скоростей элементов электромеханической части.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Книги
1. Индукционные двигатели с массивным ротором: Моногра­
фия/ А.Н. Анненков, А.И.111иянов, Ю.С. Слепокуров, О.Д. Буйлин. Во­
ронеж: Изд-во ВГТУ, 1998.210 с.
2. Анненков А.Н., Сизиков С В . , Шиянов А.И. Асинхронные
двигатели с токопроводящим слоем материала ротора: Монография.
Минск: УП "Ризондис", 2004. 234 с.
Публикации в изданиях, рекомендованных В А К РФ
3. Аннжков А Д , Орлш В.В. Многоалементный плоский двигатель с
массивным дисжшым ротором // Электротехника.- 2000.- № 8. С. 29- 32.
28
4. Анненков А.Н. Асинхронные исполнительные микродвига­
тели с повышенными энергетическими показателями // Мехатроника,
автоматизация, управление. - 2005.- № 1. С. 18 - 22.
5. Анненков А.Н. Модель линейного двигателя двойного пи­
тания с массивным дисковым ротором // Известия вузов. Электроме­
ханика. Новочеркасск.- 2005.- № 2. С. 36-40.
6. Анненков А.Н. Аналитическое моделирование электро­
магнитных процессов в асинхронных двигателях с токопроводящим
слоем ротора // Системы управления и информационные техноло­
гии.- 2005. - № 2 (19). С. 77-80.
7. Анненков А.Н. Моделирование электромагнитных про­
цессов в асинхронных двигателях с токопроводящим слоем ротора
методом конечных элементов // Системы управления и информаци­
онные технологии. - 2005. - №2 (19). С. 99-103.
Авторские свидетельства и патенты
8. А.с. 1588469 СССР, М К И В 21 D 43/18, В 30 В 15/30. Уст­
ройство для отделения верхнего листа от стопы и подачи его в зону
обработки/ В.А. Медведев, А.Н. Анненков, A.M. Шиянов (СССР),
№4445243; Заявл. 22.06.88. Опубл.30.08.90. Бюл. № 32. 5 с.
9. А.с. 1625562 СССР, М К И В 21 D 43/18, 45/08. Устройство
для удаления ферромагнитных деталей из рабочей зоны оборудова­
ния/ Медведев В.А., Анненков А.Н., Шиянов А.И. (СССР),
№4603353; Заявл. 09.11.88. Опубл. 07.02.91. Бюл. № 5. 5 с.
10. А.с. 1637913 СССР, М К И В 21 D 43/18. Устройство для
отделения от стопы и перемещения ферромагнитных листов в зону
обработки/ А.Н. Анненков, В.А. Медведев, А.И. Шиянов (СССР),
№4603353; Заявл. 09.11.88. Опубл. 30.03.91. Бюл. №12. 5 с.
11. А.с. 1666251 СССР, М К И В 21 D 43/18, В 30 В 15/30.
Устройство для отделения верхнего листа от стопы и подачи его в
зону обработки/ А.И. Шиянов В.А. Медведев, А.Н. Анненков
(СССР), №4458872; Заявл. 12.07.88. Опубл. 30.07.91. Бюл. №28. 6 с.
12. A.C. 1774816 СССР, МКИ Н02К 41/025. Линейный асинхрон­
ный двигатель / А.Н. Анненков, В.А. Медведев, А.И. Шиянов, В.А. Белов
(СССР), №4801074; Заявл. 25.01.90; Опубл. 16.10.92. Бю1Л.№41.5 с.
13. Паг. 2232460 RU, МПК^ Н 02 К 17/02,17/16. Асинхронный дви­
гатель с полым ротором/ А Л . Анненков, А.И. Шиянов (РФ) Воронеж, гос.
техн. ун-т (РФ) 2003105570/09; Заявл. 26.02.03; Опубл. 10.07.04 //Бюл. № 17.
Статьи и материалы конференций
14. Шиянов А.И., Анненков А.Н., Медведев В.А. Линейный
асинхронный частотно-токовый привод манипулятора для переме­
щения заготовок // Современные проблемы электромеханики (К 100летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя): Сб. тез.
докл. Всесоюз. науч. - техн. конф.- М.: М Э И , 1989.Ч 2., С. 97-98.
29
15. Электропривод на основе линейного асинхронного двигателя с
двойным вторичным элементом / А.И. Шиянов, В.А. Медведев, А.Н. Ан­
ненков, В.А. Белов // Тез. докл. X I Всесоюз. конф. по проблемам автомати­
зированного электропривода.- Суздаль. 1991. - С. 49-50.
16. Анненков А.Н., Сизиков СВ., Шиянов А.И. О методике теп­
лового расчёта асинхронных двигателей с гладким ротором // Совершен­
ствование наземного обеспечения авиации: Сб. тез. докл. Всерос. науч.
конф.-Воронеж: ВВАИИ, 1999. С. 130-131.
17. Анненков А.Н., Медведев В А Анализ использования линейных
гриюдов в устройствах автомагическсй подачи // Системы управлшия и элек­
троприводы роботов: Межвуз. сб.н^ч.тр.- Воронеж: ВПИ, 1989.- С.147-150.
18. Двухкоординатный электропривод на базе многофункцио­
нального линейного acHH3qx)HHoro двигателя / А.И. Шиянов, А.Н. Аннен­
ков, В.А. Медведев, О.Д. Буйлин // Машиностроение, приборостроение,
энергетика: Сб. науч. тр. - М.: МГУ, 1994.- С. 193-197.
19. К учету поперечного 1фаевого эффекта в массивном зубчатом
роторе индукционной машины / А.Н. Анненков, О.Д. Буйлин, А.И. Шия­
нов, В.В. Орлов // Энергия: Ежеквартальный науч. npaicr. вестник. № 2-3
(20-21) - Воронеж: Изд-во НПК (О) "Энергия", 1995. - С. 68-73.
20. Теоретические основы системы проектирования асинхронных
двигателей с гладким ротором / А.Н. Анненков, Ю.С. Слепокуров, А.И.
Шиянов, В.В. Орлов // Энергия: Ежеквартальный науч.- пракг. вестник
№ 4-1 (23-24) - Воронеж: Изд - во НПК (О) "Энергия".-1996. С. 24-26.
21. Анненков А.Н., Буйлин О.Д., Шиянов А.И. Двигатель пере­
менного тока повьштенного быстродействия для приводов с переменной
нагрузкой // Электромеханические устройства и системы: Межвуз сб. на­
уч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1996.- С. 73-76.
22. Устройства загрузки пресса на базе линейного двигателя с ре­
активным листом / А.Н. Анненков, В.А. Медведев, Ю.С Слепокуров, А.И.
Шиянов // Автоматизация и роботизация произюдстветшых процессов:
Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 4-9.
23. Транспортный модуль на основе асинхронного двигателя с
гладким дисковым ротором / А.Н. Анненков, В.А. Медведев, Ю.С. Слепо­
куров, А.И. Шиянов // Автоматизация и роботизация произюдственных
процессов: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1996.- С. 25-29.
24. Анненков А.Н., Буйлин О.Д., Слепокуров Ю.С. Сверхвы­
сокоскоростные асинхронные двигатели приводов промышленных
центрифуг // Автоматизация и роботизация производственньк процес­
сов: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1996.- С. 56-60.
30
25. Расчет параметре» коропавамют^й клепси массивного ротора/
А Н . Анненков, О.Д Буйлин, Ю.С. Слегк»офов и др. //Элапромеханические
устройства и сисггалы: М е ж ^ . сб. науч. тр. - Ворсиеяс ВГГУ, 1997. С. 13-18.
26,Анализ зависимостей сопротивления стержня клетки массив­
ного ротора от параметров двигателя / А.Н. Анненков, Ю.С. Слепокуров,
А.И. Шиянов, О.Д. Буйлин // Электромеханические устройства и систе­
мы: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 27-33.
27. Шиянов А.И., Анненков А.Н., Медведев В.А. Привод
транспортного модуля мобильного робота на основе индукционной
машины // Автоматизация и роботизация производственных процес­
сов: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 9-14.
28. Критерий эффективности использования габ^)итной мощно­
сти асинхронного двигателя при повышенном уровне электромагнитных
нагрузок / А.Н. Анненков, Ю.С. Слепокуров, А.Н. Стукалов, А.И. Шия­
нов // Автоматизация и роботизация производственных процессов: Меж­
вуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 56 -60.
29. Анненков А.Н., Слепо1отх)в Ю.С, Шиянов А.И Многофункцио­
нальный транспоргао - технологический модуль // Теоретические основы
проектирования технологических систем оборудования автоматизированных
производств: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТА, 1998. С. 110 -115.
30. Анненков А.Н., Сизиков СВ., Шиянов А.И. Пути повышения
эксплуатационных и технических характеристик индукционных мифомашин с полым ротором // Анализ и проектирование средств роботизации
и автоматизации: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 1999. С. 88-91.
31. Развитие методов расч&га индукционных микромашин. / А.Н.
Анненков, СВ. Сизиков, В.В. Орлов, А Л . Шиянов // Электромеханические
устройства и системы: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 74-76.
32. К выбору конструкции ротора двухфазного исполнитель­
ного двигателя / А.Н. Анненков, С В . Сизиков, В.В. Орлов, А.И.
Шиянов // Электромеханические устройства и системы: Межвуз, сб.
науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 77-79.
33. Анненков А.Н., Чепрасов А.Е., Шиянов А.И. Основы теории
асинхронного исполнительного двигателя с перфорированным полым ро­
тором // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации:
Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 16-20.
34. Анненков А.Н., Чепрасов А.Е., Шиянов А.И. Распределение
тока в перфорированном полом роторе асинхронного исполнительного
двигателя // Анализ и проектирование средств роботизации и автомати­
зации: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 21 -31.
31
35. Анненков А.Н., Сизиков С В . , Шиянов А.И. Влияние конструк­
тивных параметров ротора на характеристики асинхронных исполнитель­
ных двигателей // Совершенствование наземного обеспечения авиации:
Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВВАИИ, 2001. С. 3-5.
36. Анненков А.Н., Орлов В.В. Применение уравнений Максвелла
с комплексными параметрами для анализа электромагнитных процессов в
электрических машинах // Энергия - X X I век: Ежеквартальный нуч. - практ.
вестник. № 2 (48) - Воронеж: Изд-во НПК (О) "Энергия", 2002.- С. 51-53.
37. Анненков А.Н., Шиянов А.И. Развитие аналитического аппара­
та методов расчёта стационарных электромагнитных процессов асинхрон­
ных микродвигателей систем автоматики // Анализ и проектирование
средств роботизации и автоматизации: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж:
ВГТУ, 2002. С. 4-8.
38. Анненков А.Н., Климентов Н.И., Орлов В.В. К определению
геометрии асинхронного двигателя с перфорированным полым ротором //
Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Межвуз.
сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 110-115.
39. Анненков А.Н. Основы методики расчета магнитного поля
асинхронного двигателя с массивным ротором со стержневой обмоткой //
Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Межвуз.
сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 10-15.
40. Анненков А.Н. Асинхронные двигатели с токопроводящим
слоем материала ротора: применение и направление развития теории //
Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: Межвуз.
сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2003. С.74-76.
41. Анненков А.Н. Методы оптимизации насыщенных несиммет­
ричных электрических машин // Анализ и проектирование средств роботиза­
ции и автоматизации: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 75-78.
42. Анненков А.Н. Асинхронный двигатель с просечкой в полом
роторе // Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации:
Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 99-106.
43. Анненков А.Н., Нюхин P.O. Влияние типа конечных элементов
на точность решения задачи низкочастотного гармонического анализа //
Электромеханические комплексы и системы управления: Межвуз. сб. науч.
тр.- Воронеж: ВГТУ, 2004.- С. 72-76.
44. Анненков А.Н., Нюхин P.O. Моделирование электромагнитных
процессов в управляемых асинхронных микромашинах с полым ротором //
Электромеханические комплексы и системы управления: Межвуз. сб. науч.
тр.-Воронеж: ВГТУ, 2004.- С.201-203.
45. Анненков А.Н., Нюхин P.O. Распределение электромагнитного
поля в массивном зубчатом роторе с короткозамкнутой стержневой обмот­
кой // Энергия - X X I век: Ежеквартальный науч.-практ. вестник. № 1 - 2 (55
- 56)- Воронеж: Изд-во НПК (О) "Энергия", 2005.- С. 25-30.
0^
Подписано в печать 17.10.2005.
Формат 60x84/1$. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 2,0. Тираж 90 экз. Заказ №
Воронежский государственный технический университет
394026 Воронеж, Московский просп., 14
32
11219627
РИБ Русский фонд
2006-4
20415
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 051 Кб
Теги
bd000101370
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа