Материал: Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века. Шелякин В.П., Пархомен Г.А

выпускаются промышленностью составляют асинхронные двигатели именно цилиндрического исполнения (рис. 1).

Рис. 1. Статор асинхронной машины

Для моделирования электрических машин используются различные программные пакеты такие как ELCUT, Maxwell, ANSYS и другие, все они основаны на методе конечных элементов (МКЭ), который дает поразительную точность расчета. Данные системы позволяют использовать геометрические модели 3-х типов: плоская, осесимметричная и трехмерная модель изображенная на рис. 2.

Из теории моделирования электрических машин известно, что для того, чтобы получить все необходимые данные о проектируемой цилиндрической машине необязательно строить трехмерную модель, для решения задачи достаточно получить результаты из плоской задачи, а далее согласно принципу трансляции, пересчитать результат на требуемую длину.

Так почему же такие «гиганты», как Maxwell и ANSYS во главу угла ставят возможность объемного анализа машины, хотя, казалось бы, особой надобности в этом нет?

Такой подход в корне является неверным, несомненно двухмерные задачи в вопросе моделирования цилиндрических машин по своей точности не уступают пространственным моделям, однако никогда такая модель не даст ответы на такие вопросы, как определение полей рассеяния в торцах магнитопровода, определение индуктивности лобовых или определение нагрева лобовой части обмотки.

16

Конечно можно возразить что существуют аналитические методы по расчету полей рассеяния или индуктивности, но при этом не стоит забывать, что такие расчеты возможны только с использованием дробления магнитного потока на элементарные потоки.

В дальнейшем расчёт магнитной цепи ведется с помощью классической теории магнитных цепей, но достаточно сделать более сложную схему обмотки или форму лобовых и эти формулы вовсе потеряют весь смысл. Так же, как, если придать магнитопроводу форму хоть немного отличную от приведенной в теории, то все выше перечисленные методы расчета становятся бесполезными.

Рис. 2. Модели систем МКЭ а – плоская, б – осесимметричная, в – трехмерная

Дробление магнитного потока на элементарные потоки (трубочки), в пределах которых свойства потока постоянны задача невероятно сложная, при таком разбиении необходимо быть точно уверенным, что свойства не изменятся иначе расчет будет ошибочным. При этом также учитывается взаимное влияние элементарных потоков друг на друга. И выходит так, что даже самая простая задача такого рода является довольно объемной и имеет смысл только при решении в системах компьютерной алгебры. Так, если плоский тип задачи не дает ответ на

17

поставленные вопросы, возможно выходом станет использование двухмерной осесимметричной задачи?

К сожалению, это не так. Осесимметричные модели используются только для решения очень узкого круга задач, таких, к примеру, как моделирование электромагнитов. Так же они позволяют производить анализ тепловых процессов в машинах беспазового исполнения.

Что касается тепловых расчетов аналитические методы лишь частично дают представление о процессах, происходящих п внутри машины. Двухмерная модель несомненно будет гораздо точнее аналитики, однако, как и в случае с электромагнитным расчетом не дает точного представления о том, что происходит в лобовой части. Как минимум тот факт, что при моделировании обмотки в какойлибо из плоскостей, вдоль которой она идет коэффициент теплоотдачи будет постоянным, однако при изменении направлении хода обмотки коэффициент теплоотдачи изменится, как именно предсказать не сможет абсолютно никто.

Стоит так же заметить, что моделирование торцевых машин невозможно произвести с использованием плоской или осесимметричной модели.

Так как же создать данную модель?

При создании 3D-моделей обмоток есть 2 основных правила: постоянство сечения и отсутствие пересечений. Также не стоит забывать и о технологическом аспекте вопроса (рис. 3).

Рис. 3. Принцип создания 3D-моделей для систем МКЭ

Из всего выше перечисленного становится ясно, что только трехмерное моделирование позволит в полном объеме оценить все параметры машины и ответить на все поставленные вопросы.

Воронежский государственный технический университет

18

УДК 621.313.821

А.А. Агапов, Ю.В. Писаревский

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ОРТОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБМОТКИ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматривается возможность применения ортоциклических обмоток с нетрадиционнам способом намотки для бесконтактных двигателей постоянного тока беспазового исполнения мелкосерийного производства

Жизнь современного человека неразрывно связана с электричеством и немалую роль, как не странно, в ней играет электромеханика. Говоря об электрических машинах кажется, что обычный человек невероятно далек от всего этого. Однако это, не так, в быту нас окружает огромное количество микромашин, которые мы даже не замечаем. Это и является их главным достоинством. В 21 веке нет места неоправданно большим размерам, все стремится к компактности, легкости и мобильности. Те же тенденции прослеживаются и в области создания электрических микромашин, где в стремлении снизить габариты борьба идет «буквально» за каждую долю миллиметра.

На сегодняшний день действительно очень остро стоит проблема снижения массогабаритных параметров при сохранении электромагнитных показателей. Не стоит забывать и о тепловых параметрах работы машины, ведь как известно, значительная часть микромашин способна работать лишь в кратковременном режиме из-за повышенного нагрева активных частей в ходе работы.

Довольно смелым решением в свое время стало создание беспазового микродвигателя, отказавшись от пазового магнитопровода разработчики смогли снизить габариты, сохранив при этом показатели машины, однако столкнулись с проблемой перегрева и повышенным сопротивлением для прохождения магнитного поля через воздушный зазор.

Беспазовая конструкция несомненно несет в себе определенные недостатки, связанные с прохождением магнитного поля сквозь воздушный зазор, к которому относится и часть

19

машины занятая под обмотку, однако применение такого типа обмотки является единственным выходом, если требуется создать микродвигатель с относительно небольшой номинальной частотой вращения.

В связи с этим немалый интерес представляют исследования обмоток. Достаточно интересным решением в этом вопросе является возможность использования ортоциклических обмоток

(рис. 1).

Рис. 1. Ортоциклическая обмотка

Вся суть ортоциклической обмотки заключается в том, что она наматывается в одной плоскости виток к витку, после чего не претерпевает никаких пространственных видоизменений кроме формовки для создания сегмента окружности. Однако исследуя данный вопрос были найдены недостатки в классической ортоциклической намотке. Серьезным недостатком стало то, что выводной конец, находящийся внутри такой обмотки при выводе дает утолщение в лобовой части величиной в один проводник, из-за чего значительно ограничивается возможность её применения.

В связи с этим было принято решение разработать абсолютно новый тип ортоциклической обмотки, которая представлена ниже (рисунок 2). Её создание сводится к формированию 2-х полусекций, после чего обе части соединяются одна поверх другой.

20